KR20040105623A - 반도체 박막의 결정화방법 및 결정화장치, 반도체장치 및제조방법, 표시장치, 및 위상 시프터 - Google Patents

반도체 박막의 결정화방법 및 결정화장치, 반도체장치 및제조방법, 표시장치, 및 위상 시프터 Download PDF

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Abstract

반도체장치는, 투명 기판(301)과, 이 기판의 윗면측에 설치된 반도체 박막(303)을 가진다. 이 반도체 박막은, 레이저 광(105, 108)의 조사에 의해, 윗면측에서 봐서 표면형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립이 형성된 조사영역(305)을 가지며, 이 조사영역은 이것의 상면과 직교하는 단면의 결정방위가 (001)면이 되어 있는, 결정화영역이다. 이 결정화영역에는 소스영역과 드레인영역이 채널영역 내에서 전류가 흐르는 방향의 단면이 상기 (001)면이 되도록 형성되어 있다.

Description

반도체 박막의 결정화방법 및 결정화장치, 반도체장치 및 제조방법, 표시장치, 및 위상 시프터{Method and Apparatus for Crystallizing Semiconductor Thin Film, Semiconductor Apparatus and Manufacturing Method thereof, Display Apparatus, and Phase Shifter}
본 발명은, 반도체 박막의 결정화방법 및 이 방법을 실시하기 위한 결정화장치 및 결정화된 반도체 박막을 가지는 반도체장치 및 그 제조방법, 표시장치 및 위상 시프터에 관한 것이다.
또한, 일반적으로는 단결정이라도 원자열의 흐트러짐(전위 등)이 존재하고 있어, '단결정'과 '단결정에 가까운 결정'은 구별이 곤란하므로, 본 명세서에서는 '단결정에 가까운 결정'도 '단결정'으로서 설명되어 있다.
절연재료 기판 또는 절연막 상에 단결정 실리콘을 형성하는 SOI(Silicon On Insulator)기술은 LSI(Ultra large-Scale Integrated circuit)의 고집적화, 저소비전력과 고속화를 실현하는 기술로서 알려져 있다. 이 기술의 프로세스는 ①단결정 반도체 웨이퍼, 예를 들어 실리콘 웨이퍼의 표면 하부영역에 절연막을 형성하는 방법과, ②절연재료 기판 또는 절연막의 위에 형성한 비정질 또는 다결정 반도체 박막, 예를 들어 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 박막을 결정화 또는 재결정화하는 방법으로 분류된다. 어떤 방법에 있어서도, 실리콘의 결정성을 높이는 것은 매우 중요하며, 트랜지스터를 형성하는 영역이 단결정인 것, 또한 결정면방위가 나란하고, 특히 표면이 (001)면, 전류가 흐르는 방향의 결정방위가 (100)면인 것이 바람직하다. 이 때문에, 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하는 SIMOX나 상호부착 기판과 같은 ①의 방법이 실용화되고있다.
한편, ②의 방법은 오늘날 실리콘 ULSI기술에서는 채용되어 있지 않지만, 기판재료에 제한없이 실리콘과 같은 고품질의 반도체 박막을 형성할 수 있으면, 여러가지 전자소자나 전자장치의 응용이 가능하다. 이 때문에 상기 ② 방법의 개량이 강하게 요구되고 있다.
1980년대에 면방위가 고른 단결정 실리콘 박막을 형성하는 것을 목적으로 한 많은 연구가 행해졌다. 그 중에서 고주파 유도가열을 이용한 존 멜팅법은 중요한 기술로, 표면의 결정방위가 (001)면을 가지는 단결정 실리콘 직사각형 영역을 형성할 수 있는 기술로서 알려져 있다. 이 방법을 도 1을 참조하여 이하에 설명한다. 또한, 상세한 설명은 '후카미 아키라, 고바야시 유우, 전자통신학회 논문지 1986/9 vol. J69-C, No.9 p.1089-1095.'에 기재되어 있다.
먼저, 도면에 도시하는 바와 같이 석영기판(11) 상에 상압(常壓) 화학기상성장법을 이용하여 다결정 Si 박막을 퇴적하고, 이 박막을 네크부(14a)에 의해 서로 연결된 두개의 직사각형 영역(14)이 되도록 패터닝한다. 다음에, 가닐고 긴 고주파유도 가열히터(17)를 석영기판(11)의 하측에 위치시켜 띠형상으로 1412℃ 이상으로 가열하고, 가열히터(17)에 대응된 개소의 다결정 실리콘을 용융시켜 띠형상의 실리콘 용융영역(13)을 형성한다. 다음에, 이 가열히터(17)를 화살표(15)로 나타내는 방향으로 선형으로 이동시킴으로써 단결정 실리콘을 순차 용융시켜 직사각형영역(14) 전체를 용융시켜 단결정화시킨다. 도 1은 가열히터(13)가 이동 도중에 있는 상태를 나타내며, 직사각형영역(14) 중 부호 12로 나타내는 부분은 이미 단결정화되고, 공백부분은 결정화되어 있지 않다. 여기서, 네크부(14a)의 치수(도면의 길이(L)와 폭(W))을 변화시키면, 국부적으로 열류가 변화하여, 열류가 의존하여 결정방위가 변화한다. L와 W을 최적화하면 (001)면의 방위를 가지는 결정화 직사각형영역(12)을 형성할 수 있다.
그런데, 글래스나 플라스틱 기판 상에 결정화 실리콘 박막을 형성하는 기술은, 액정 디스플레이 등의 구동조사에 이용되고 있는 박막 트랜지스터의 고성능화 기술에 응용되고 있다. 예를 들어, 박막 트랜지스터의 반도체층을 비정질 구조에서 다결정 구조로 변화시키면, 트랜지스터의 이동도가 100배 이상이 된다. 단, 이 경우에는 결정화에는 기판에 있어서의 열손상에 주의하지 않으면 안된다(예를 들면, 일반적인 글래스 기판에서는 600℃ 이하, 플라스틱에서는 150℃ 이하로 하지 않으면 안된다). 상기 고주파 유도가열을 이용한 존 멜팅법은 기판(석영기판)을 고온으로 해버리므로, 상기 재료로 기판이 형성되어 있는 액정 디스플레이 분야에는 적용할 수 없다.
이 때문에, 기판에 열손상을 주지 않고 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 방법으로서, 엑시머 레이저 결정화법이 개발되었다. 이 기술은, 도 2에 도시하는 바와 같이 엑시머 레이저 광(21)을 호모지나이즈 광학계(22)에 의해 광 조사단면의 강도를 균일하게 하여, 가늘고 긴 직사각형의 개구를 가지는 금속 마스크(23)를 통해서 직사각형형상으로 정형(예를 들면 단면형상은 150mm×200㎛)하여 사출시키고 있다. 이 사출된 레이저 광으로 글래스 기판(26) 상에 퇴적한 비정질 실리콘 박막(24)의 표면을 화살표(27)로 나타내는 방향으로 선형적으로 상대적으로 주사하고, 단축방향으로 10㎛ 간격으로 레이저 조사하고 있다. 이 레이저 광을 흡수한 실리콘 박막은 용융 실리콘(25)을 거친 후, 다결정 실리콘(28)으로 변환된다. 이 기술에서는, 일반적인 글래스나 플라스틱 기판을 이용했다 해도 기판에 열손상은 발생하지 않는다. 왜냐하면 엑시머 레이저는 20ns 정도의 펄스 레이저이며, 결정화는 50 내지 100ns 정도에서 완료하기 때문이다. 결정립경은 레이저 에너지 밀도에 의존하고 있어, 입경 0.1 내지 1㎛ 정도의 다결정 박막을 형성할 수 있다. 면방위에 관해서는 1회의 레이저 조사로 형성된 결정립은 배향(配向)하지 않지만, 수백회 정도의 다수회 반복하여 레이저 조사를 행함으로써 표면방위가 (001)면이나 (111)면에 배향하는 보고가 있다. 전자는, 예를 들면 D. P. Gosain, A. Machida, T. Fujino, Y. Hitsuda, K. Nakano and J. Sato, 'Formation of (100)-Textured Si Film Using an Excimer Laser on a Glass Substrate', Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42(2003) p.L135-L.137.,에 기재되어 있다. 또, 후자는 예를 들면 H.Kuriyama, et al.,'Enlargement of Poly-Si Film Grain Size by Excimer Laser Annealing and Its Application to High-Performance Poly-Si Thin Film Transistor' Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 30(1991) p.3700-3703에 기재되어 있다.
또, 상기 엑시머 레이저 어닐링을 발전시킨 기술로서 SLS방식(Sequential Lateral Solidification)으로 불리고 있는 기술이 알려져 있다. 이와 같은 기술은 특허 제3204986호 공보(특허문헌1)에 개시되어 있다. 이 기술에서는, 도 3(a)에 도시하는 바와 같이 호모지나이즈 광학계에 의해 광강도가 균일화된 엑시머 레이저 광(31)을 2미크론 폭 정도의 금속 세극(細隙)을 설치한 마스크(32)를 통과함으로써 단면을 장방형상으로 정형한다. 이 세극을 통한 레이저의 플루언스(에너지 밀도)는, 비정질 실리콘 박막(33)이 두께방향으로 전부 용융(34)이 되도록 설정하면 세극의 외측 영역에서 내측을 향하여 횡방향성장이 일어나 결정화 실리콘(36)이 형성된다(도 3(b)). 다음에 시료를 화살표(37)로 나타내는 바와 같이 2미크론만큼 좌방향으로 이동시켜 레이저 조사하면 용융 실리콘(34)은 앞의 조사에 의해 형성된 결정화 실리콘(36)의 우단부를 종결정로서 횡방향성장한다(도 2(c)). 이 레이저 조사와 시료이동의 프로세스를 반복함으로써 대입경의 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있다. 이 경우에 마스크(32)의 평면형상을 도 2(d)와 같이 체크무늬형상 마스크(39)로 하여, 반복하여 레이저 조사를 행하면 처리시간이 향상하고 또 결정화의 겹침영역이 양호해져 기판면에서 균일한 횡방향성장 다결정 박막을 형성할 수 있다.
상기 엑시머 레이저 결정화법을 더욱 발전시킨 방법으로서, 위상변조 엑시머 레이저 결정화법이 알려져 있다. 이 방법의 특징은 도 4(a)에 도시하는 바와 같이엑시머 레이저 광(41)을 위상 시프터(42)(예를 들어, 석영판에 단차가공을 행한 것)로 불리는 광학부품을 통과함으로써 도 4(b)의 부호 43으로 나타내는 바와 같이 레이저 광 강도분포를 변조시키고 있다. 이와 같이 변조된 레이저 광으로 비정질 실리콘 박막(44)에 1회 조사를 행하여 도 4(c)에 도시하는 바와 같이 조사영역(45)을 결정화하고 있다.
이 방법은, 상기 엑시머 레이저 결정화법과 SLS방식과는 달리 균일 광 강도분포를 사용하지 않으며 또, 다수회 레이저 조사를 행할 필요도 없다. 이 방법에서는 변조된 광 강도분포(43)에 의해 레이저 조사된 박막 내에는 경사진 온도분포가 발생하여 에너지가 작은 부분(47)에 결정핵이 형성되어 이 위치를 정확하게 정할 수 있다. 또, 도 4(d)에 도시하는 바와 같이, 상기 결정핵을 기초로 한 횡방향성장에 의해 성장에 의해 성장거리가 증대하여 대입경 결정립(46a, 46b)을 얻을 수 있다. 이 방법에 의해 대입경의 결정립이 형성되고 또한 결정립의 위치를 제어할 수 있다. 이 기술의 상세한 설명은 '마츠무라 마사키요, 표면과학 Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000'에 기재되어 있다.
그러나, 기판재료를 선택하지 않고 절연층의 위에 면방위가 고른 단결정 영역을 형성하는 기술에 있어서, 상기 4종류 형식의 종래 기술에는 각각 이하에 서술되는 과제가 있다.
도 1을 참조하여 설명한 고주파유도 가열을 이용한 존 멜팅법에 대해서는, 기판을 부분적으로 실리콘의 융점(1410℃) 이상으로 가열하므로 글래스 등의 저융점 재료로 만들어진 기판을 사용하는 용도에는 이용할 수가 없다. 결정화 막을 (001)면방위로 배향시키기 위해서는, 섬형상 실리콘의 연결부(네크부)의 형상을 최적화할 필요가 있어, 후에 형성하는 트랜지스터 및 회로의 레이아웃에 제한이 생긴다.
도 2를 참조하여 설명한 엑시머 레이저 결정화법에 대해서는, 결정립 내부의 결정성은 단결정으로 할 수 있지만, 다수의 트랜지스터를 형성한 경우 채널영역에 입계가 존재하므로 이동도가 저하하고, 트랜지스터간의 성능(스레시홀드전압, 서브슈렛 계수, 이동도)의 불규칙성이 생긴다. 또, 결정립을 크게 하기 위해서는, 실리콘 박막이 전부 용융이 되는 임계의 레이저 플루언스에 극한으로 접근시킬 필요가 있다. 그러나, 레이저 플루언스가 전부 용융조건을 넘으면 실리콘 박막은 미세결정화하여 바람직하지 않다. 즉, 레이저 플루언스에 관한 여유도가 좁다. 그리고, 결정립 사이즈가 최대 1에서 2미크론 정도이므로, 트랜지스터 사이즈를 작게 해야 하는 제약이 생긴다. 이 때문에, 예를 들면 1 mx 1 m 정도의 디멘션의 디스플레이용 대면적 기판을 이용한 경우에는 매우 고도한 미세가공기술이 요구된다. 또, 표면방위를 (001)로 하기 위해서는, 레이저를 200회 이상((111)면으로 하기 위해서는 10회 정도) 조사해야 한다. 이 때문에 결정화의 처리시간이 길어진다. 또, 결정화 막의 상면(한 면)이 되는 개개 결정립의 표면 방위는 (001)로 일정하게 할 수는 있어도, 표면축에 대해서는 무질서하게 회전한 위치관계에 있어, 박막 단면의 결정방위는 배향하고 있지 않다. 즉, 결정화막의 표면에 직행하는 면을 (001) 방위로 할 수는 없다.
도 3을 참조하여 설명한 SLS방식에 대해서는, 레이저 광의 절반 가까이를 금속 마스크로 실드하므로 레이저 에너지를 유효하게 이용할 수 없다. 이 때문에 결정화의 처리시간이 길어진다. 또, 결정립의 위치가 고르지 않으므로 상기 엑시머 레이저 결정화와 마찬가지로 트랜지스터간 성능의 흐트러짐이 생긴다. 그리고, 결정립의 면방위가 일정하지 않으므로 트랜지스터간 성능의 흐트러짐이 생긴다.
도 4를 참조하여 설명한 위상변조 엑시머 레이저 결정화 기술에 관해서는, 결정립의 표면형상이 주로 삼각형상이므로 트랜지스터 회로를 형성할 때 회로 레이아웃에 제한이 생긴다. 또, 결정립의 면방위가 일정하지 않으므로 트랜지스터간 성능의 흐트러짐이 생긴다.
본 발명은 상기의 과제에 의거하여 이루어진 것으로, 그 목적은 소망하는 면방위의 결정립이 반도체 박막에 형성되는 반도체 박막의 결정화방법 및 결정화장치, 및 반도체장치 및 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은, 종래 기술인 존 멜팅법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 종래 기술인 엑시머 레이저 결정화법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a) 내지 (d)는, 종래 기술인 SLS방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4(a) 내지 (d)는, 종래 기술인 위상변조 엑시머 레이저 결정화법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 기본이 되는 기술을 설명하기 위한 것으로, (a)는 사용한 레이저 광의 광 강도분포를 도시하는 도면, (b)는 결정화된 박막의 결정립의 표면형태와 개개의 결정립의 결정학적 방위를 주사전자현미경(SEM)법과 전자후방산란(EBSP)법을 이용하여 측정한 결과를 도시하는 도면, 그리고 (c)는 (b)에 도시하는 결정립을 각각 도식화하여 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 기본이 되는 기술을 설명하기 위한 것으로, (a)는 제1 위상변조 엑시머 레이저 조사에 의한 결정립을 개략적으로 도시하는 상면도, (b)는 제2 위상변조 엑시머 레이저 조사후의 결정립을 개략적으로 도시하는 상면도, 그리고 (c)는 (b)에 도시하는 결정립의 면방위를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 7(a)는, 제1 레이저 조사에 있어서의 레이저 강도 극대영역이 극소영역이 되도록 제2 레이저 조사를 행하는 상태의 주사전자현미경 사진을 도시하는 도면, (b)는 제2 레이저 조사후의 결정화 박막 표면의 주사전자현미경 사진을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 기본이 되는 기술을 설명하기 위한 것으로, (a)는 제1 및 제2 위상변조 엑시머 레이저 조사를 개략적으로 도시하는 사시도, (b)는 제2 위상변조 엑시머 레이저 조사후의 2차원으로 위치제어된 결정립을 도시하는 도면이다.
도 9(a)는, 방위표시지표가 형성된 원형 기판의 세가지 예를 도시하는 평면도이며, (b)는 방위표시지표가 형성된 직사각형 기판의 세가지 예를 도시하는 평면도이다.
도 10(a) 내지 (d)는, 본 발명의 제1 실시형태의 방법을 공정마다 나누어 설명하기 위한 도면이다.
도 11(a) 내지 (d)는, 본 발명의 제2 실시형태의 방법을 공정마다 나누어 설명하기 위한 도면이다.
도 12(a) 내지 (c)는, 본 발명의 제3 내지 제6 실시형태의 반도체 박막의 결정화방법 및 결정화장치를 각각 설명하기 위한 개략도이다.
도 13(a) 내지 (b)는, 본 발명의 제7 및 제8 실시형태의 반도체 박막의 결정화방법 및 결정화장치를 각각 설명하기 위한 개략도이다.
도 14(a)는, 어닐링용 위상 시프터를 도시하는 사시도이며, (b)는 위상결정용 위상 시프터를 도시하는 사시도이며, 또 (c)와 (d)는 어닐링용 위상 시프터와 위치결정용 위상 시프터가 일체화된 각각 다른 구성을 도시하는 사시도이며, (e)는 기판 하나에 위상 시프터와 위치결정용 위상 시프터를 형성한 예의 사시도이다.
도 15는, 어닐링용 위상 시프터와 위치결정용 위상 시프터가 동일 기판에 형성되어 있는 구성을 설명하기 위한 평면도이다.
도 16(a) 내지 (e)는, 본 발명의 제9 실시형태에 관련된 반도체장치 및 그 제조방법을 공정에 따라서 설명하기 위한 도면이다.
도 17(a) 및 (b)는, 본 발명의 제10 실시형태에 관련된 액정표시장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일양태에 관한 반도체장치는, 기판과, 이 기판의 일면측에 설치된 반도체 박막을 구비하고, 이 반도체 박막은 일면측에서 봐서 표면형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립에 의해 형성되어 있는 결정화영역을 가지며, 이 결정화영역은 이것의 한 면과 직교하는 단면의 결정방위가 (001)면인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 반도체장치에 있어서는 종래의 결점이 해결되어 예를 들면 동작특성이 우수하다.
본 발명의 다른 양태에 관한 반도체장치의 제조방법은, 기판을 준비하는 공정과, 이 기판의 일면측에 비정질 또는 다결정의 반도체 박막을 형성하는 공정과, 이 반도체 박막의 결정화영역에 광학변조소자로 광 변조되어 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 조사하여 상기 결정화영역에 결정핵이 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점과 대응하여, 결정성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 Δ형상의 결정립을 형성하는 제1레이저 조사공정과, 상기 결정화영역에 광학변조소자로 광 변조되어 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을, 이것의 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점이 상기 Δ형상의 결정립의 밑변영역과 거의 대응시켜 조사하고, 이 밑변영역을 결정핵으로 하여 상기 결정화영역에 결정성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 표면형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립을 성장시킴으로써, 상기 결정화영역을 단결정으로 하는 제2 레이저 조사공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 제조방법에 따르면 단결정의 반도체 박막을 가지는 반도체장치를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에 관한 결정화장치는, 균일한 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 사출수단과, 비단결정의 반도체 박막을 지지하는 지지수단과, 이들 사출수단과 지지수단의 사이에 배치되어, 사출수단으로부터 사출된 레이저 광의 위상을 변조함으로써 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 사출하기 위한 광학변조소자와, 상기 사출수단과 지지수단을 반도체박막의 한 면을 따라서 제1 위치와 제2 위치의 사이에서 상대적으로 이동시키는 구동수단을 구비하며, 상기 광학변조소자는 상기 제1 위치에서 반도체 박막을, 이 반도체 박막에 결정핵이 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점과 대응한 결정립을 횡방향으로 성장시켜 형성되도록 조사하고, 상기 제2 위치에서 반도체 박막을, 상기 성장 단부를 결정핵으로 하여 상기 반도체 박막에 결정립을 성장시킴으로써, 상기 반도체 박막을 결정화하도록 조사하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 결정화장치는 구조가 간단하면서 용이하게 반도체 박막의 단결정화를 완수할 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에 관한 표시장치는, 서로 이간하여 대면된 면을 가지는 제1 및 제2 기층과, 이들 대면된 면 사이에 배치된 액정과, 이들 대면된 면에 각각 설치된 복수의 제1 및 제2 전극과, 한쪽 기층의 상기 대면된 면 상에 형성된 화소전극 및 반도체 박막을 가지며, 각 반도체 박막은 일면측에서 봐서 표면 형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립에 의해 형성되어 있는 결정화영역을 가지며, 이 결정화영역은, 이것의 한 면과 직교하는 단면의 결정방위가 (001)면인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성의 표시장치에 있어서는, 반도체 박막이 단결정화되어 있으므로 우수한 전기적 특성을 가진다.
이하에, 본 발명의 기본개념을 설명한다.
본원의 발명자들은, 도 14(a)에 도시하는 바와 같은 광학변조소자로서 석영기판 표면에 직선의 단차를 가공한 위상 시프터(141)를 이용하여 광원으로부터의레이저 광을 도 5(a)에 도시하는 바와 같은 레이저 광 강도분포(51)로 변조하여, 미결정화 박막(이 경우에는, 비정질 실리콘 박막)에 조사시켜 결정화(이 경우에는, 다른 결정실리콘)시켰다. 그리고, 이 결정화된 박막의 결정립의 표면형태와 개개 결정립의 결정학적 방위를 주사전자현미경(SEM)법과 전자후방산란(EBSP)법을 이용하여 측정하였다. 이 결과, 결정립의 형태는 도 5(b)에 도시하는 바와 같이 소립경 결정립(52)과, 띠형상 결정립(53)과, Δ형상 결정립(54)의 3종으로 분류되는 것을 알 수 있었다. 이들 3종의 결정립을 도식화하여 알게 된 면방위 관계를 부가하면, 도 5(c)에 도시하는 바와 같이 된다. 도 5(c)에서는, 소립경 결정립(52)과 띠형상 결정립(53)과 Δ형상 결정립(54)에 대응하는 결정립을, 같은 부호로 각각 서픽스 'a'를 붙이고 있다. 여기서, 본 발명자들이 주목한 점은, Δ형상 결정립(54a)의 성장거리는 길고, 결정성장방향의 면방위가 (100)면이고, 결정성장방향에 대한 2개의 수직방향 중 박막의 면내의 수직방향은 (010)면 또는 (011)면이라는 점이다. 그래서, 본 발명자들은 도 6(a)에 도시하는 바와 같이 선형상의 영역(61a)이 레이저 광 강도가 극소가 되도록 제1 위상변조 엑시머 레이저 조사를 행하여(극소 광 강도선에 의한 조사), 그것에 의해 형성된 Δ형상 결정립(64)의 밑변 영역(61b)을 종결정(결정핵)으로 하여 제2 위상변조 엑시머 레이저 조사를 행하면 면방위가 나란하고 게다가 결정립의 형태가 사각형상(64)으로 되는 것을 알아내었다. 즉, 도 6(b)에 도시하는 바와 같이, 제2 위상변조 엑시머 레이저 조사는 선형상의 영역(61b)이 극소강도가 되도록 하면 좋은 것을 알 수 있었다(극소 광 강도선에 의한 조사). 제2 위상변조 엑시머 레이저 조사에 의해, 영역(61b)의 좌우 영역은 전부 용융이 되므로 결정성장은 영역(61b)의 좌우 방향에 생긴다. 이 결과, 도 6(c)와 같이 적어도 결정성장방향의 면방위는 (001)면을 가지며, 또 사각형상의 결정립이 형성된다. 또한, 도 6은 결정화 막을 위쪽에서 본 경우의 도면이다. 또한, 도 14(a)에 도시하는 위상 시프터(141)를 사용하여 횡방향(좌우방향)의 피치(P)가 일정, 예를 들면 10㎛의 복수의 최소광 강도점(역피크 점)(62a)을 가지는 도 8(a)에 도시하는 레이저 광 강도분포(81)의 레이저 광으로, 미결정막(80)을 제1 위상변조 엑시머 레이저 조사하고, 다음에 위상 시프터(141)와 미결정막(80)을 거의 2/P(약 5㎛) 상대적만큼 어긋나게 하여 제2 위상변조 엑시머 레이저 조사를 행하면 도 8(b)와 같이 2차원으로 위치 제어한 결정립을 형성할 수 있다. 여기서, 피치(P)란 뒤에서 도 14를 참조하여 설명하는 바와 같이 입사 레이저 광의 위상을 180°(π) 어긋나게 하기 위해서 표면에 형성된 가늘고 긴 홈과 표면과의 사이의 단차, 즉 위상 시프트선 사이의 간격을 말한다.
상기 실험 및 측정으로부터 이하의 결론이 이끌어졌다.
표면형태가 사각형상의 결정립이 1차원적으로 위치제어되어 있어 적어도 성장방향의 면방위는 (001)이 되는 결정화막을 제조하는데는, 도 14(a)와 같은 1차원의 위상 시프터(141)를 이용하여 1차원의 레이저 광 강도분포를 형성하고, 비정질 실리콘 박막 표면에 레이저 조사하여 한방향으로 성장한 결정립을 형성하면 좋다(제1 레이저 조사). 이 때에 조사하는 레이저 광은 도 5(a)에 도시하는 바와 같이 결정성장의 개시위치와 종료위치는 레이저 광 강도의 극소값(J1)과 극대값(J2)이 되도록 설계한다. 이와 같은 제1 레이저 조사에 의한 주기적인 어닐링에 의해 비정질 실리콘 박막의 조사 전 영역에 횡방향성장 결정립이 충전된다. 다음에, 도 7(a)의 주사전자현미경사진에 도시하는 바와 같이, 제1 레이저 조사에 있어서의 레이저 강도 극대영역(Δ형상 결정립의 밑변영역)(72)이 극소영역이 되도록 제2 레이저 조사를 행한다(극소 광 강도선에 의한 조사). 이 때 소결정립(75)이나 띠형상형 결정립(73)은 전부 용융하며 Δ형상 결정립의 밑변영역(72)이 종결정이 되고, 영역(72)의 좌우방향으로 용융 재결정 성장한다. 제2 레이저 조사후의 결정화 박막 표면의 주사전자현미경 사진을 도 7(b)에 도시한다. 제2 레이저 조사에서는 제1 레이저 조사에 있어서의 성장방향이 (001)면인 삼각형상의 결정립의 밑변영역이 종결정이 되어, 제1 레이저 조사로 형성된 소립경 결정립, 띠형상 결정립은 재용융하고 종결정으로부터의 결정성장에 취입되는 것을 나타내고 있다. 따라서, 제2 레이저 조사에 의해 성장방향이 (001)면이며, 표면형태가 사각형상의 결정립(74b)이 형성된다. 이것은 전자후방산란법에 의해 확인하였다.
또한, 상기 기술사상을 발전시켜 도 14(c)와 같이, 위상 시프트부, 즉 위상 시프트선이 서로 직교한 (a)에 도시하는 위상 시프터(141)와, (b)에 도시하는 위상 시프터(142)를 조합시킴으로써 도 8(a)에 도시하는 바와 같은 광 강도분포(81)를 형성하였다. 이 도면에 도시하는 광 강도분포는 3개의 극소 광 강도선과 9개의 최소 광 강도점을 가지는데, 이들 수는 본 발명에서는 임의이다. 이 광 강도분포(81)는 극소강도영역(선)에 최소점이 존재하는 것을 특징으로 하고 있으며, 결정성장 개시점(82)을 2차원 위치제어함으로써 5각형상 결정립(83)의 배열을 형성할 수 있다. 또, 제1 위상 시프터의 위상 시프트선에 대응하여 형성되는 극소 광 강도선과제2 위상 시프터의 위상 시프트선에 대응하여 형성되는 극소 광 강도선은 교차하고 있으면 반드시 직교하고 있지 않아도 좋다. 상술한 바와 같은 광 강도분포(81)를 이용하여 결정화한 실리콘 박막의 표면형태의 주사전자현미경 사진을 도시하는 도 8(b)에 있어서, 결정성장 개시점(82)에 대응하는 결정성장 개시점은 82a로 나타내며, 단결정화영역은 83a로 나타낸다. 이 기술사상과 상기 2차 결정화 방법을 조합하면 성장방위가 제어된 단결정 영역을 2차원적으로 배열할 수 있다.
또, 상기 기술사상을 발전시키면, 미리 사용하는 기판에 방위를 나타내어 그것에 따라서 광 강도분포를 형성하여 결정화를 행하면 결정면방위를 나타내는 반도체 박막 기판을 제작할 수 있다. 거의 원형의 반도체 기판을 이용한 경우는, 도 9(a)에 도시하는 바와 같이 기판(반도체 웨이퍼)에 오리엔테이션 플랫(orientation flat)(91), 노치(92), 기판 마킹(93) 등의 방위표시지표를 미리 형성하여, 이 지표를 기준으로 하여 레이저 광 강도 분포방향(강도 구배방향)을 맞춘다. 또, 글래스 기판과 같이 직사각형의 기판의 경우에는 도 9(b)에 도시하는 바와 같이 한변(94), 모서리의 자른 부분(95), 기판 마킹(96) 등의 방위표시지표를 미리 형성하여, 이 지표를 기준으로 하여 레이저 광 강도 분포방향(강도 구배방향)을 맞춘다. 이와 같이 하여 결정화를 실현화함으로써 기판으로부터의 박막 단면의 결정면방위를 알 수 있는 결정화 반도체 박막 기판을 얻을 수 있다.
이하에, 상기 기본 개념에 기초하는 여러가지 실시형태를 첨부도면을 참조하여 설명한다.
제1 실시형태
도 9(a)에 도시하는 바와 같은 오리엔테이션 플랫(91), 노치(92), 기판 마킹(93) 등의 방위표시지표를 가지는 반도체 기판(도 10에서는 부호101로 나타내고 있다) 상에 면방위가 고른 사각형상의 결정화영역 어레이를 가지는 반도체장치 및 그 제조법, 및 반도체 박막의 결정화방법에 관한 실시형태를 도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 9, 도 10을 이용하여, 특히 도 10을 주로 참조하여 설명한다.
먼저, 반도체 기판(101)(예를 들어, Si, Ge, Si1-xGex, Si1-x-yGexCy, GaAs, GaP, InAs, GaN, ZnTe, CdSe, CdTe 등의 반도체 웨이퍼)을 준비한다. 이 반도체 기판(101) 상에 절연층(102)(예를 들어 박막 500nm)을 형성한다. 이 절연층(102)은 예를 들면 열산화 또는 CVD(예를 들어 플라즈마화학기상성장법이나 저압화학기상성장법 등)나 스퍼터법을 이용하여 성막된 SiO2막이다. 바꾸어서, 이 절연층(102)은 예를 들어 SiN막과 SiO2막의 조합과 같은 적층구조로 한 것이어도 좋다. 또, 절연층(102)은 반도체 기판(101) 상의 전면에 형성하여 그대로 남겨 두어도, 패터닝에 의해 부분적으로 남겨 두어도 좋다. 여기서는, 반도체 기판(101)의 전면에 설치되어 있는 경우에 관하여 설명한다. 다음에, 상기 절연층(102)의 위에, 즉 반도체 기판(101)의 일면측에 비정질 또는 다결정 구조의 반도체 박막(103)(예를 들어 막두께 30 내지 200nm 정도의 Si, Si1-xGex, 또는 Si1-x-yGexCy막 등)을 CVD(예를 들어 플라즈마화학기상성장법이나 저압화학기상정상법 등)나 스퍼터법을 이용하여 성막한다. 이 반도체 박막(103)은 절연층(102)의 전면, 또는 패터닝에 의해 절연층의 부분영역에 형성해도 좋다. 여기서는 절연막(102)의 전면에 형성되어 있다.
그리고, 도 10(a)에 도시하는 바와 같이, 반도체 박막(103)의 표면 전면에 보호막(104)(예를 들면, SiO2, SiON, SiN 또는 이들의 적층구조막)을 막두께 약 300nm의 두께로 성막한다. 상기 절연층(102) 및 반도체 박막(103)이 패터닝된 경우에 있어서는 기판 전면에 보호막을 형성해도 좋다.
다음에, 도 10(b)에 도시하는 바와 같이 위상변조 엑시머 레이저 결정화법을 이용하여 보호막(104)의 표면에 도 8(a)에 도시하는 바와 같은 광 강도분포를 가지는 엑시머 레이저 광(105)을 조사한다. 이 레이저 조사를 제1 레이저 조사라 부른다. 여기서는, 위상변조 엑시머 레이저 결정화법은 제3 실시형태에서 설명하는 레이저 결정화장치를 이용하고 있다. 이와 같은 레이저 광의 조사는 미리 기판이나 반도체 웨이퍼에 설치된 맞춤 마크에 따라서 조사위치가 설정될 수 있다.
상기 제1 레이저 조사는 복수의 역피크를 가지는 광 강도분포를 사용하고 있는데, 도면에서는 간단히 3개의 역피크 경우를 나타낸다. 이 광 강도분포에는 각 역피크점(최소 광 강도점)을 중심으로 하여 한쌍의 주 구배방향(광 강도가 최소 광 강도점으로부터 거의 선형상으로 강해지는 광 강도의 방향)(106 및/또는 106a)이 존재한다. 한쌍의 주 구배방향(106과 106a)은 지면 내에서 서로 180°회전 관계이다. 주 구배방향(106 또는 106a)과 반도체 기판(101)의 방위표시지표의 방향이 소정 관계를 가지도록 반도체 기판(101)과 위상 시프터가 미리 설정되어 있다. 여기서는 주 구배방향(106)과 오리엔테이션 플랫(91)이 평행해지도록 설정되어 있다.
이 제1 레이저 조사에 있어서, 레이저 광의 에너지 밀도는 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, 광 강도의 극소값이 횡방향성장 조건의 임계값(J1)을 넘고 있고, 광 강도의 극대값이 반도체 박막(103)의 증발 임계값(J2) 이하인 것이 바람직하다. 이들 임계값(J1, J2)의 값은, 주로 반도체 박막(103)의 레이저 광에 대한 흡수 계수와 막두께에 의해 결정된다.
상기 제1 레이저 광(105)에 의한 제1 레이저 조사에 의해, 반도체 박막(103)의 조사영역은 결정화되어 다결정 반도체 박막(107)으로 변환된다. 이 결정화 박막(107)의 표면형태는 주 구배방향(106, 106a)을 따라서 횡방향으로 결정화되어 있다. 이 단계에서, 보호막을 에칭에 의해 제거하여 주사전자현미경법과 전자후방산란법에 의해 해석하면, 개개의 결정립은 레이저 광 강도가 낮은 위치부터 결정성장이 시작되어, 주 구배(106, 106a)의 방향을 따라서 결정성장한 것을 알 수 있다. 개개의 결정립은 하나의 결정핵으로부터 성장하고 있다고 추정되며, 도 5(c)에 분류되는 바와 같이, 소립경 결정립(52a)과 띠형상 결정립(53a)과, Δ형상 결정립(54a)이 형성되어 있다. 이 중에서, 가장 횡방향성장 거리가 긴 것은 Δ형상 결정립(54a)이다. 전자선후방산란법으로 개개 결정립의 결정방위를 해석하면, Δ형상 결정립(54a)의 성장방향(즉, 주 구배(106, 106a))의 면방위는 (100)으로 되어 있다. 또, 이 Δ형상 결정립(54a)의 성장거리는 적어도 2㎛ 이상으로 되어 있으며, 본 실시형태에서는 5㎛이다. 한편, 소립경 결정립(52a), 띠형상 결정립(53a)의 주 구배방향의 결정면방위는 (111) 또는 (110)면이 되어 있다.
다음에, 도 10(c)에 도시하는 바와 같이 제2 레이저 광(108)을 사용하여 제2의 레이저 조사를 상기 다결정화된 영역에 행한다. 이 제2 레이저 조사의 광 강도분포는 도 10(b)와 (c)를 비교해 보면 알 수 있듯이, 제1 레이저 조사에서 이용한 광 강도의 극소값의 위치가 제2 레이저 조사의 극대값이 되도록 제1 레이저 조사의 광 강도분포를 극소값 피치의 1/2만큼 평행 이동한 광 강도분포가 되도록 설정되어 있다. 즉, 도 6(a)에 도시하는 영역(61a)이 제1 레이저 조사의 극소값이며, 영역(61b)이 제2 레이저 조사의 극소값이다. 여기서, 도 8(a)에 도시하는 레이저 광 강도분포(81)와 같이 최소 광 강도점(62a)의 위치에 강도가 더욱 내려가 최소값이 되는 광 강도분포로 하면, 결정성장 개시점을 2차원으로 제어할 수 있다. 본 실시형태에서는, 상술한 바와 같이 1/2P(5㎛)만큼 주 구배방향으로 평행이동한 광 강도분포를 이용하고 있다. 도 7(a)는, 제1 레이저 조사후의 결정화 실리콘 박막의 표면형태를 주사전자현미경으로 관찰한 결과이다. 이 도면에서 부호 71은 제1 레이저 조사의 광 강도가 극소인 영역을 나타내며, 부호 72는 극대인 영역을 나타낸다. 이 사진에서도, 도 5(b)에서 도시한 바와 같이 소립경 결정립(75), 띠형상 결정립(73), Δ형상 결정립(74a)이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 제2 레이저 조사는 부호 72로 나타내는 영역에 광 강도가 극소가 되도록 행하고 있다. 제2 레이저 조사의 에너지 밀도는, 제1 레이저 조사의 에너지 밀도와 동등 또는 커지도록 설정되어 있다. 본 실시형태에서는 제2 레이저 조사는 제1 레이저 조사의 광 강도분포를 이용하여, 시료표면을 5㎛만큼 주 구배방향으로 평행 이동하고 나서 조사시키고 있지만, 반드시 같은 위상 시프터를 사용할 필요는 없고, 상기 1/2P만큼 위상이 어긋난 다른 위상 시프터를 사용해도 좋다.
상기 제2 레이저 조사에 의해, 다결정 반도체영역(107)은 도 10(d)에 도시하는 바와 같이 결정립이 큰 반도체영역(109)으로 변환되어 있다. 이 때의 광 강도가 최소였던 점은, 상술한 도 7(b)에서 부호 72로 나타나 있다. 이 도면에서는, 제2 레이저 조사에 의해 영역(72)의 좌우에 횡방향으로 결정화한 것이 도시되어 있다. 또, 이 도면에서는 도 10(d)에 도시하는 반도체영역(109)의 결정립에 상당하는 결정립(74b)이 도시되어 있다. 이 결정립(74b)의 표면형상(반도체영역(109)을 위쪽에서 봤을 때의 형상, 즉 수평면 내의 형상)은 거의 사각형(직사각형)이며, 또 광 강도분포의 주 구배방향(106, 106a)의 결정립의 면방위는 (100)이다. 또한, 이 반도체영역(109)의 결정화된 영역의 결정성은 단결정으로 되어 있다. 도 7(b)에서는 상술한 바와 같이 도 7(a)에서 관찰된 소립경의 결정립, 띠형상의 결정립, 삼각형상의 결정립은 거의 존재하지 않는다. 이것은 제1 레이저 조사로 행해진 Δ형상립(74a)의 밑변부분이 제2 레이저 조사로는 완전히 용융하지 않고, 한편 소립경 결정립(75), 띠형상 결정립(73)은 완전히 재용융하기 때문이다. 이 때문에, 광 강도가 최소였던 영역(72)을 종결정으로서 주 구배방향(106)(또는 106a)의 방향으로 결정성장이 일어나고 있다. 주 구배방향에 (111)면 또는 (110)면을 가지고 있던 소결정립(75)과 띠형상 결정립(73)은 소멸하여, 주 구배방향(106)(또는 106a) 방향에 있어서 (100)면에 배향한 결정립으로 변환되어 있다.
이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시형태의 방법으로 형성된 반도체 영역(109)의 결정립의 반도체 기판(101)의 오리엔테이션 플랫을 따른 방향의 면방위는 (100)면으로 되어 있다.
따라서, 본 실시형태의 방법에 의해 반도체 기판 상에 단면의 한방향에(100)면방위를 가지고, 거의 사각형상의 결정립에 의해 구성된 단결정화 영역 어레이를 형성할 수 있다. 이상 설명한 방법에서는, 도면 상에서는 반도체 박막(103)의 일부를 단결정화하고 있는 것처럼 보이지만 상기 처리를 반복함으로써 반도체 박막(103) 전체를 단결정화할 수도 있다.
제2 실시형태
절연재료 기판 상에 면방위가 고른 사각형상의 결정화영역 어레이를 가지는 반도체장치 및 그 제조법, 및 반도체 박막의 결정화방법에 관한 실시형태를 도 9, 도 11을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 9((b)에 도시하는 바와 같은 변(94), 노치(95) 또는 마킹(96)(기판 표면이라도 뒷면이라도 좋다)을 가지는 절연재료 기판(111)(예를 들면, 석영 글래스, 소다 글래스, 붕규산 글래스(borosilicate glass), 납 글래스, 불화물 글래스, 사파이어, 플라스틱, 폴리이미드 등)을 준비한다(도 11(a)). 이 절연재료 기판(111)의 위에 절연층(112)(예를 들면 막두께 500nm)을 형성한다. 이 절연층(112)은 예를 들면 CVD(예를 들어 플라즈마화학기상성장법이나 저압화학기상성장법 등)나 스퍼터법을 이용하여 형성된 SiO2박막이다. 바꾸어, 이 절연층(112)은 예를 들면 SiN이나 SiO2등의 이종(異種)의 재료에 의해 적층구조로 한 것이어도 좋다. 절연층(112)은 절연재료 기판(111)의 전면 또는 패터닝에 의해 절연재료 기판 표면의 부분영역에 형성해도 좋다. 여기서는, 절연재료 기판(111)의 전면에 형성하고 있다. 다음에, 절연층(112)의 위에 비정질 또는 다결정 구조의 반도체 박막(113)(예를 들면 막두께 30 내지 20nm 정도의 Si, Ge, Si1-xGex, Si1-x-yGexCy등)을 CVD법(예를 들어 플라즈마화학기상성장법이나 저압화학기상성장법 등)이나 스퍼터법을 이용하여 성막한다. 이 반도체 박막(113)은 절연층(112)의 전면 또는 패터닝에 의해 절연층의 부분영역에 형성해도 좋다. 여기서는, 절연층(112)의 전면에 형성하고 있다.
그리고, 도 11(a)에 도시하는 바와 같이 반도체 박막(113)의 표면 전면에 보호막(14)(예를 들어, SiO2, SiON, SiN 또는 이들 적층구조막)을 약 300nm의 두께로 성막한다. 상기 절연층(112) 및 반도체 박막(113)이 패터닝된 경우에 있어서는 기판 전면에 보호막을 형성해도 좋다. 이후의 공정은 상기 제1 실시형태1와 실질적으로 같아 간단히 기술한다.
도 11(b)에 도시하는 바와 같이 보호막(114)의 표면에 상술한 바와 같은 광 강도분포를 가지는 제1 레이저 광(115)으로 제1 레이저 조사를 행한다. 이 제1 레이저 조사에 있어서의 광 강도의 주 구배방향(116, 116a)은 절연재료 기판(111)에 도시된 방위표시지표를 기준으로 하여 설정하고 있다. 이 실시형태에서는 주 구배방향(116, 116a)과 방위표시지표가 나타내는 방향을 일치시키고 있다. 이 제1 레이저 조사에 의해 반도체 박막(113)의 조사영역은 결정화 반도체 박막(117)으로 변환된다.
다음에, 도 11(c)에 도시하는 바와 같이 제1 실시형태와 같은 조건으로 거의 1/2P만큼 횡방향으로 시프트한 제2 레이저 광(118)에 의해 제2 레이저 조사를 행한다. 이 결과, 도 11(d)에 도시하는 바와 같이 상기 결정화 반도체 박막(117)은 단결정화 반도체 박막(109)이 된다. 이 결정화 반도체 박막(117)의 결정립의 표면형태는 사각형상이며, 또 절연재료 기판(111)의 기준을 따른 방향의 면방위는 (100)면으로 되어 있다. 따라서, 본 실시형태의 방법에 따르면 절연재료 기판 단면의 한방향에 (100)면방위를 가지는 사각형상의 단결정화 영역 어레이를 형성할 수 있다.
제3 실시형태
반도체 박막의 결정화방법 및 결정화장치의 실시형태를 각각 도 12, 도 13, 도 14, 도 15를 참조하여 설명한다. 이들 예에서는, 광원으로서 엑시머 레이저(121)(예를 들면, XeCl, KrF, ArFf 등)를 이용하고 있지만, 반드시 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 12(a)에 도시되는 바와 같이 펄스 레이저 광(122a)을 사출하는 엑시머 레이저(121)의 사출측에는 레이저 광(122)의 에너지 밀도(도 5(a)에 도시하는 임계값(j1),임계값(j2))를 제어하기 위한 어테뉴에이터(123)와 레이저 광의 강도를 균일화하는 호모지나이즈 광학계(124)가 순차적으로 설치되어 있다. 또한, 부호 120a로 나타내는 위치는 호모지나이즈 광학계(124)의 결상면(초점면)이다. 이 호모지나이즈 광학계(124)의 사출측에는 90도 반사경을 통해서 호모지나이즈 광학계의 결상면(120a)을 등배 또는 축소하는 투영렌즈(125)가 배치되어 있다. 그리고, 이 투영렌즈(125)의 결상면(120b)(포커스위치)에는 제1 위상 시프터(126a)가, 또 초점위치에서 벗어난 위치(디포커스위치)에는 제2 위상 시프터(127a)가 각각 배치되어 있다. 여기서, 제2 위상 시프터(127a)는 복수개의 위상 시프터, 예를 들면 위상 시프트방향이 서로 직교한 2개의 위상 시프터로 구성되어도 좋다. 제1 위상 시프터(126a)는도 8(a)에 도시되어 있는 레이저 광 강도분포(81)에 있어서 가파르고 험준한 바텀을 형성하기 위한 것이다. 제2 위상 시프터(127a)는 도 8(a)에 도시되어 있는 레이저 광 강도분포(81)에 있어서 횡방향의 결정성장에 필요한 구배를 형성하기 위한 것이다. 즉, 도 8(a)에 도시되어 있는 레이저 광 강도분포(81)에 있어서, 최소 광 강도점(62a)부의 레이저 광 강도분포가 가파르고 험준한 바텀의 형상은 제1 위상 시프터(126a)에 의해 형성된다. 레이저 광 강도분포(81)에 있어서, 최소 광 강도점(62a)부로부터 최대 레이저 광 강도분포가 되는 형상은 횡방향의 결정성장에 필요한 구배로서 제2 위상 시프터(127a)에 의해 형성된다.
상기 제1 및 제2 위상시프터(126a, 127a)는 광축 상에 도시하지 않는 홀더에 의해 고정되어 있다. 이 홀더는 광축을 따른 방향과 거기에 수직인 방향으로 이동시키는 기구와, 2축의 회전기구를 가지는 고니어미터(goniometer)와 같은 구동기구(DM)가 조입되어 있다.
상기 제2 위상 시프터(127a)의 사출측에는 스테이지(129)의 위에 놓여진 시료(128)가 위치되어 있다. 이 스테이지(129)는 X방향 및 Y방향으로 이동가능하며, 시료(128)를 제2 위상 시프터(127a)에 대해서 상대적으로 수평방향으로 시프트시킬 수 있다.
다음에 상기 구성의 결정화장치의 작용을 이하에 설명한다.
엑시머 레이저(121)로부터 사출한 펄스 레이저 광(122a)은 어테뉴에이터(123)에 의해 에너지 밀도가 제어되어 호모지나이즈 광학계(124)에 들어가, 여기서 강도가 균일화된 레이저 광(122b)이 되어 반사경에 입사된다. 여기서, 레이저 광(122b)은 시료(128) 방향으로 90도 편향되어 투영렌즈(125)에 입사된다. 이 투영렌즈(125)는 입사렌즈 광(122b)을 제1 및 제2 위상 시프터(126a, 127a)에 의해 변조된 레이저 광(122d)으로서 시료 표면에 입사시킨다. 이를 위한 위상 시프터(126a, 127a)의 구성은 뒤에서 도 14를 참조하여 설명한다. 또한, 이 시료(128)는 실제로는 예를 들면 도 10 및 도 11에 도시하는 반도체 박막(113)을 가지는 적층 박막 기판일 수 있다.
상기 제2 위상 시프터(127a)에 의해 변조되어 형성된 레이저 광 강도분포(영상)의 특징은 예를 들면, 도 8(a)에 도시하는 레이저 광 강도분포(81)와 같이 밀리미터 레벨의 거시적으로는 균일 강도이며, 미크론 레벨의 미시적으로는 강도 변조되어 있는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 레이저 광 강도분포(81)의 레이저 광으로 제1 레이저 조사를 행하면, 도 8(b)의 주사전자현미경 사진과 같은 결정립이 위치제어된 결정화 박막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 어테뉴에이터(123)에 의해 레이저 광의 에너지 밀도를 최적화하여 레이저 광(122d)을 시료(128)의 표면에 조사하면, 시료(128)의 반도체 박막은 레이저 광(122d)을 흡수함으로써 온도가 상승한다. 여기서, 레이저 광(122d)의 강도변조영역에 있어서 극소강도에서의 반도체 박막은 하지 계면 부근까지 용융상태가 되며, 극대강도에서는 반도체 박막이 증발하지 않는 온도가 되어 있는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 위상 시프터(126a, 127a)는, 도 14(a) 및 (b)에 부호 141 및 142로 각각 나타내는 바와 같이, 투명한 기판 예를 들면 합성석영판(141a(142a))의 한 면에 서로 일정 간격을 가지는 가늘고 긴 직사각형 홈(141b(142b))이 형성됨으로써 단차를 가지는 구조로 되어 있다. 이 단차의 높이(홈의 깊이)(Δt)가 사출 레이저 광의 위상차(θ)에 상당한다. 이 위상차(θ)는, θ=2πΔt(n-1)/λ로 부여된다. 여기서, λ는 레이저의 파장, n은 합성석영판의 굴절률이다. 예를 들면, 파장 248nm의 KrF 엑시머 레이저를 이용한 경우, 굴절률은 1.508이며, 단차(Δt)가 244nm일 때 위상차는 180°가 된다. 이와 같은 위상 시프터(141(126a), 142(127a))는 홈이 서로 직교하는 배치관계로, 도 12(a)에 도시하는 바와 같은 위치에 설치되어 있다. 상기 합성석영 기판(141a(142a))의 표면에 단차를 형성하는 방법으로서, 예를 들면 반응성 이온에칭을 이용하여 에칭하는 방법, 집속 이온빔법을 이용하여 직접가공하는 방법, 합성석영 기판의 위에 비정질 실리콘 박막을 성막하여 패터닝한 것을 열산화하는 방법이 있다. 상기 양 위상 시프터(141, 142)는 도면 상에서는 홈의 디멘션도 피치(P)(위상 시프트선 사이의 간격)도 다르지만, 같은 것이어도 좋다.
또, 위상 시프터에는 표면 단차에 더하여 광 흡수에 의해 광 강도분포를 형성하는 효과를 부가해도 좋다. 이를 위해서는 예를 들면 합성석영판(141a(142a))의 한 면에 광 흡수막(예를 들면, SiN, SiON, Ge 등의 막)을 성막하여 패터닝한다. 이와 같은 위상 시프터(141(142))를 사용함으로써 광 흡수막의 흡수 계수와 막두께에 의해 광 강도분포가 변화한다. 이 방법은 광 광도진동을 억제하고 싶은 위상 시프터의 영역에 형성하는 경우에 좋다.
또, 위상 시프터의 표면 상에 마이크로렌즈를 형성하여 광 강도분포를 형성하는 효과를 부가해도 좋다.
도 15에 도시하는 바와 같이, 하나의 합성석영 기판(151)의 표면에 이종(異種) 구조의 단차를 형성함으로써, 복수 쌍의 위상 시프터로서의 위상 시프터영역(152a, 152b, 및 153a, 153b)을 동일 기판에 설치해도 좋다. 이 예에서는, 쌍 사이의 홈의 폭 및 홈 사이의 거리(즉, 위상 시프트부 피치)가 다른 2쌍의 위상 시프터 영역(152a, 152b 및 153a, 153b)이 설치되어 있다. 이 경우, 각 위상 시프터 영역의 면적은, 입사 레이저 광의 단면(154)보다고 커져 있어야 한다. 각 쌍의 위상 시프터영역(152a(153a)와 152b(153b))은 서로 반주기 어긋난(1/2 위상 시프터 피치 어긋난) 구조로 되어 있다. 이와 같은 위상 시프터에서는, 제1조사는 한쪽의 위상 시프터(영역)(152a)를 이용하며, 제2 조사는 합성석영 기판(151)을 홈의 길이방향으로이동시켜 다른쪽의 위상 시프터(영역)(152b)를 이용하여 결정화할 수 있다. 다른쪽 쌍의 위상 시프터(영역)(153a와 153b)에 대해서도 마찬가지이며, 다른 쌍의 위상 시프터를 이용함으로써 레이저 광을 다른 패턴의 레이저 광 강도분포를 가지도록 할 수 있다.
상기 제1 위상 시프터(141)와 제2 위상 시프터(142)는, 도 14(c)에 도시하는 바와 같이 구석부에 설치된 4개의 스페이서(143)를 사이에 두고 붙여 고정함으로써, 일체적인 구조로 해도 좋다. 또, 위상 시프터 사이에 진애(塵埃) 등이 들어가는 것을 방지할 수도 있도록, 4개의 스페이서 대신에 틀형의 실드 스페이서를 4변 사이에 설치해도 좋다. 바꾸어서, 도 14(d)에 도시하는 바와 같이, 제1 위상 시프터와 제2 위상 시프터는 하나의 합성석영기판(공통 투명기판)에 일체적으로 형성해도 좋아, 이 경우에는 한 면에 제1 위상 시프터의 홈, 즉 단차가 형성되고, 다른 면에 제2 위상 시프터의 홈 즉, 단차가 형성되어 있다. 또한, 제1 위상 시프터와 제2 위상 시프터는 광 경로에서의 설치 위치를 교체해도 좋다.
상술한 바와 같은 제1 및 제2 위상 시프터(126a, 127a)에 의해 얻어지는 광 강도분포는 투명기판(합성석영기판)의 표면 단차의 기하학적 구조와 입사광의 각도나 광의 공간적 가(可)간섭성에 의해 결정된다. 요구하는 광 강도에 따라서는 제2 위상 시프터(127a) 만으로 좋은 경우도 있다.
제4 실시형태(도시하지 않음)
상기 제3 실시형태에 있어서, 시료(128) 표면의 위치를 투영렌즈(125)의 초점면에 배치하여, 예를 들어 호모지나이즈 광학계(123)의 초점면(120a)에 위상 시프터(126a)를 배치해도 좋다. 이 경우에는 제3 실시형태에 비하여 광 강도분포 설계의 다양화에 제한이 발생하는데, 균일성이 향상하는 효과가 있다.
이하에 설명하는 결정화 장치의 실시형태에서 상기 제3 실시형태와 실질적으로 동일한 개소는 같은 참조부호를 붙여 설명을 생략한다.
제5 실시형태
이 장치에서는, 도 12(b)에 도시하는 바와 같이 호모지나이즈 광학계(123)의 초점면(120a)에 제1 위상 시프터(126a)가 배치되며, 결상렌즈(125)의 초점위치에 시료(128)의 표면이 위치되어 있다. 제2 위상 시프터(127a)는 결상렌즈(125)의 초점이 벗어난 위치에 배치되어 있다. 이 경우, 상기 제4 실시형태에 비해 광 강도분포 설계의 다양성이 향상하는데 제1 위상 시프터(126a)의 강도 변조는 투영렌즈의분해능의 제한을 받는다.
제6 실시형태
이 장치에서는, 도 12(c)에 도시하는 바와 같이 호모지나이즈 광학계(123)의 초점면(120a)에 제1 위상 시프터(126a)가 배치되며, 또 호모지나이즈 광학계(123)의 초점이 벗어난 위치에 제2 위상 시프터(127a)가 배치되어 있다. 시료(128)의 표면은 투영렌즈(125)의 초점면에 배치되어 있다. 이와 같은 구성의 장치에서는, 시료 표면 부근에 위상 시프터가 존재하지 않으므로, 스테이지(129) 주변의 자유도가 증가한다. 그러나, 광 강도분포는 투영렌즈의 분해능의 제한을 받는 결점이 있다.
상기 제3 내지 제6 실시형태에 있어서는, 제2 레이저 조사는 시료(128)와 광학계(위상 시프터(126a, 127a)와 투영렌즈(125))를 상대적으로 평행 이동시켜, 즉 스테이지(129)를 광학계에 대해서 이동시키던지, 광학계(상세하게는, 반사경으로부터 스테이지(129) 측의 부분)를 스테이지(129)에 대해서 이동시키던지 해서 광 강도분포를 평행 이동시키고 있다. 그러나, 이와 같은 수법에 본 발명은 한정되는 것은 아니다. 이 예를 제7 및 제8 실시형태로서 이하에 설명한다. 또한, 이들 실시형태에서는 위상 시프터로서 같은 구성의 2개의 위상 시프터(127c, 127d)를 사용하고 있다. 한쪽의 위상 시프터(127c)는 제1 레이저 조사이며, 다른쪽의 위상 시프터(127d)는 제2 레이저 조사용이다. 이 때문에, 제1 위상 시프터(127c)에 의해 변조된 레이저 광의 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 결정핵으로서 성장한 결정립의 성장 단부가, Δ형상의 결정립의 경우에는 이것의 밑변 영역이 제2 위상 시프터(127d)에 의해 변조된 레이저 광의 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점에서 조사되도록 양 위상 시프터(127c, 127d)는 이들의 상대위치가 결정되어 있다. 또, 이들 위상 시프터(127c, 127d)는 호모지나이즈 광학계의 각각의 초점면에 배치되어 있는데, 이 위치에 한정되는 것은 아니다.
제7 실시형태
도 13(a)에 도시하는 바와 같이, 이 장치는 제1 엑시머 레이저(121a)와, 제1 어테뉴에이터(123a), 제1 호모지나이즈 광학계(124a)와, 제1 위상 시프터(127c)로 이루어진 제1 레이저 조사용의 광학계와, 제2 엑시머 레이저(121b)와, 제2 어테뉴에이터(123b)와, 제2 호모지나이즈 광학계(124b)와 제2 위상 시프터(127d)로 이루어진 제2 레이저 조사용 광학계를 가진다. 상기 제1 위상 시프터(127c)와 제2 위상 시프터(127d)는 같은 구조를 가지는데, 표면 단차의 주기구조가 반주기만큼 어긋나 있다. 이들 위상 시프터(127c, 127d)는, 도 14(c) 및 (d)에 도시하는 복합구조의 위상 시프터를 사용하고 있는데, 도 14(b)에 도시하는 단일 구조의 위상 시프터라도 좋다. 제1 위상 시프터(127c)의 사출측과 제2 위상 시프터(127d)의 사출측에는, 공통의 하프미러(half-mirror)(135)가 배치되어 있다. 이 하프미러(135)는 제1 위상 시프터(127c)로부터의 레이저 광을 결상렌즈(125)로 90° 반사시키는 기능과, 제2 위상 시프터(127d)로부터의 레이저 광을 투과하여 결상렌즈(125)로 이끄는 기능을 가진다. 이 결상렌즈(125)를 통한 레이저 광은 서로 횡방향으로 약 1/2P(위상 시프터 단차 피치의 1/2) 벗어난 광변조 강도분포로 시료(128)를 조사한다.
상기 구조의 장치에 있어서는, 제1 엑시머 레이저(121a)와 제2 엑시머 레이저(121b)가 서로 번갈아 발진하도록 제어하고, 하프미러(135), 투영렌즈(136)에 의해 제1 레이저 조사와 제2 레이저 조사를 이들 조사가 겹치지 않도록 하여 서로 번갈아 행함으로써, 반도체 박막을 결정화 한다. 이와 같은 방법은, 제2 레이저 조사때문에 위상 시프터를 움직일 필요가 없으므로, 광학계에 가동부분을 없앨 수 있어, 이를 위한 구동기구를 없앨 수 있음과 동시에 광축이 안정되는 특징이 있다.
제8 실시형태
도 13(b)에 도시하는 바와 같이, 엑시머 레이저(121)의 사출측에는 어테뉴에이터(123)를 통해서 하프미러(139a)와 같은 빔 스플리터가 설치되어 있다. 이 하프미러(139a)는 입사 레이저 광을 2개의 레이저 광으로 분기한다. 이 하프미러(139a)의 투과측에는 제1 호모지나이즈 광학계(124a) 및 제1 위상 시프터(127c)를 순차적으로 통해서 공통의 하프미러(135)가 배치되어 있다. 상기 분기용인 하프미러(139a)의 반사측에는 2개의 미러(139b, 139c)를 통해서 제2 호모지나이즈 광학계(124b)가 배치되어 있다. 또 이 호모지나이즈 광학계(124b)의 사출측에는 제2 위상 시프터(127d)를 통해서 상기 공통의 하프미러(135)가 배치되어 있다. 이 공통의 하프미러(135)는, 제1 위상 시프터(127c)로부터의 레이저 광을 반사함과 동시에, 제2 위상 시프터(127d)로부터의 레이저 광을 투과하여 투영렌즈(125)로 이끈다.
이러한 장치에서는, 레이저(121)로부터 사출된 펄스형상의 레이저 광은 하프미러(139b)에 의해 2개의 레이저 광으로 분기되어, 제1 레이저 광은 제1 호모지나이즈 광학계(124a), 제2 위상 시프터(127c), 공통의 하프미러(135) 및 투영렌즈(125)를 통해서 시료(128)에 조사된다. 제2 레이저 광은 미러(139b, 139c), 제2 호모지나이즈 광학계(124b), 제2 위상 시프터(127d) 및 투영렌즈(125)를 통해서 시료(128)에 조사된다. 그리고, 이들 제1 레이저 광과 제2 레이저 광의 광경로 길이는 최초로 제1 레이저 광으로 시료를 조사하고, 이 조사가 종료한 후에 제2 레이저 광으로 시료를 조사하도록 설정되어 있다.
이와 같은 기술에 있어서도, 제7 실시형태의 경우와 같은 효과를 가진다.
상기 실시형태에서는, 제1 위상 시프터(126a, 127c)를 가파르고 험준한 바텀을 형성하기 위한 구성으로 하고, 제2 위상 시프터(127a, 127d)를 횡방향의 결정성장에 필요한 구배를 형성하기 위한 구성으로 하여 예에 관해서 설명하였다. 또한, 제1 위상 시프터(126a, 127c) 및 제2 위상 시프터(127a, 127d)의 양쪽 시프터를 동일한 가파르고 험준한 바텀을 형성하는 구성으로 해도 좋으며, 횡방향의 결정성장에 필요한 구배를 형성하기 위한 구성으로 해도 좋다.
제9 실시형태
반도체장치 및 그 제조방법을 도 16을 참조하여 이하에 설명한다.
도 16(a)에 도시하는 바와 같이, 절연재, 예를 들면 알칼리 글래스, 석영 글래스, 플라스틱, 폴리이미드 등로 형성되며, 도 9(b)에 도시하는 방위지시지표가 형성된 투명한 직사각형의 기판(301)(도면에서는 일부만이 도시되어 있다)의 평단한 한 면 상에 하지층(302)과 비정질 반도체 박막(303)과 보호막(304)을 순차적으로 화학기상성장법이나 스퍼터법 등의 공지의 성막기술을 이용하여 형성한다. 상기 하지층(302)은 예를 들면 50nm 두께의 SiN막(302a)과 300nm 두께의 SiO2막(302b)의 적층막에 의해 형성되어 있다. 상기 SiN막(302a)은 글래스 등으로 된 기판(301)으로부터의 불순물이 비정질 반도체 박막(303)에 확산하는 것을 방지하며, 또 상기 SiO2막(302b)은 SiN막(302a)으로부터의 질소가 비정질 반도체 박막(303)에 확산하는 것을 방지한다. 상기 비정질 반도체 박막(303)은, 예를 들면 두께가 약 50nm 내지 200nm이며, Si, Ge, SiGe와 같은 반도체, 이 실시형태에서는 Si로 형성되어 있다.상기 보호막(304)은 도 10을 참조하여 설명한 보호막(104)과 동일하다.
다음에, 비단결정 반도체 박막(303)의 표면에 보호막(304)을 통해서 제1 레이저 광 조사로서 위상 시프터(예를 들면 도 14(a)에 도시하는 위상 시프터(141))에 의해 광 변조된 제1 레이저 광(105)을 뒤에서 상술하는 바와 같이 각각이 조사된 영역(305)(이하에 조사영역이라 칭한다)과 조사되지 않은 영역(306)(이하 비조사영역이라 칭한다)가 서로 이웃하게 된 다수의 유닛영역을 형성하도록 선택적으로 조사한다(도 16(b)은 이해를 쉽게 하기 위해서 하나의 조사영역과 하나의 비조사영역으로 이루어진 하나의 유닛영역만을 도시한다). 다음에, 기판(301)을 위상 시프터 홈의 피치의 약 1/2만큼 횡방향으로 시프트시켜 제2 레이저 광(108)에 의해 제2 레이저 조사를 행한다. 이와 같은 제1 및 제2 레이저 조사에 의해 조사영역(305)은 어닐링처리되어 용융하여 비정질 또는 다결정 반도체 박막이던지 단결정 박막으로 변환된다. 즉, 조사영역(305)은 적어도 결정성장방향의 면방위는 (001)면을 가지며, 또 사각형상의 결정립에 의해 형성된다. 조사영역(306)의 비정질 반도체는 그대로의 상태로 유지된다. 예를 들면, 액정표시장치의 제조공정에 있어서 조사영역(305)은 빠른 스위칭 특성이 요구되는 구동회로용 TFT를 형성하기 위한 영역이다.비조사영역(306)은 높은 내전압이 요구되는 화소용 TFT를 형성하기 위한 영역이다. 다음에, 에칭에 의해 도 16(c)에 도시하는 바와 같이 상기 보호막(304)을 제거하여 반도체 박막을 노출시킨다.
그리고, 포토리소그래피기술을 이용하여 조사영역(305)과 비조사영역(306)을 선택적으로 에칭하여 2개의 제1 섬형상영역(305a)과 하나의 제2 섬형상영역(306a)을 형성한다. 이들 섬형상영역(305a, 306a) 상을 포함하는 기판 상(정확하게는 하지층(302) 상)에 SiO2으로 이루어지고 두께가 약 20nm 내지 300nm의 게이트 절연막(307)을 상기와 같은 성막기술을 이용하여 형성한다. 이 게이트 절연막(307)의 상기 섬형상영역(305a, 305b)의 중앙부와 대향하는 부분의 위에 각각 게이트전극(308)을 형성한다. 이들 게이트전극(308)은 실리사이드나 MoW의 층을 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
다음에, 도 16(d)에 도시하는 바와 같이 상기 게이트 전극(308)을 마스크로서 불순물 이온(309)을 섬형상영역(305a, 306a)의 속에 주입하고 사이에 채널영역을 끼워 소스영역과 드레인영역을 형성한다. 이 때에 채널영역 내에서 전류가 흐르는 방향의 단면이 상기 (001)면이 되도록 소스영역과 드레인영역과의 위치를 설정한다. 이 설정은, 기판에 형성된 방위표시지표에 의거하여 용이하게 이루어진다. 흐르는 전류가 (001) 상기 불순물 이온은 N채널 MOS 트랜지스터를 형성하는 것이면 N형의 불순물, 예를 들면 인이며, P채널 MOS 트랜지스터를 형성하는 것이면 P형의 불순물, 예를 들면 붕소이다. 이 결과의 장치를 질소분위기에서 어닐링(450℃에서1시간)하여 주입된 불순물을 활성화한다.
다음에, 게이트전극(308) 상도 포함하는 절연막(307)의 위에 예를 들어 SiO2로 이루어진 층간절연막(330)을 형성한다. 이 층간절연막(130) 및 게이트절연막(307)의 상기 섬형상영역(305a, 306a)의 불순물이 도프된 영역(소스영역 및 드레인영역) 상의 부분을 선택에칭에 의해 제거하여 컨택홀을 형성한다.
다음에, 도 16(e)에 도시하는 바와 같이 상기 게이트 절연막(307) 상에 컨택홀을 통해서 상기 소스영역 및 드레인영역과 전기적으로 접속된 소스전극(311a) 및 드레인전극(311b)을 형성하여 박막 반도체장치를 완성시킨다.
제10 실시형태
도 17(a) 및 (b)는 상기 박막 반도체장치를 사용하여 제조된 액정표시장치의 일례를 도시한다.
액정표시장치(400)는 전후 한쌍의 투명기체(기층)(421, 422), 액정층(423), 화소전극(424), 주사배선(425), 신호배선(426), 대향전극(427) 및 TFT(430) 등을 구비하고 있다.
한쌍의 투명기체(421, 422)로서는 예를 들면 한쌍의 글래스 기판을 이용할 수 있다. 이들 투명기체(421, 422)는 틀형상의 시일재를 통해서 접합되어 있다. 액정층(423)은 한쌍의 투명기체(421, 422)의 사이의 시일재에 의해 둘러싸여진 영역에 설치되어 있다.
상기 한쌍의 투명기체(421, 422) 중 한쪽의 투명기체, 예를 들어 후측의 투명기체(422)의 내면에는 행방향 및 열방향으로 매트릭스형상으로 설치된 복수의 화소전극(424)과, 복수의 화소전극(424)과 각각 전기적으로 접속된 복수의 TFT(430)(앞에 상세하게 설명한 본 발명에 관련된 반도체장치)와, 복수의 TFT(430)와 전기적으로 접속된 주사배선(425) 및 신호배선(426)이 설치되어 있다.
상기 주사배선(425)은 화소전극(424)의 행방향을 각각 따라서 설치되어 있다. 이들 주사배선(425)의 일단은 후측의 투명기체(422)의 일측 둘레부에 설치된 복수의 주사배선단자(도시하지 않음)에 각각 접속되어 있다. 복수의 주사배선단자는 각각 주사선구동회로(41)에 접속되어 있다.
상기 신호배선(426)은 화소전극(424)의 열방향을 각각 따라서 설치되어 있다. 이들 신호배선(426)의 일단은 후측의 투명기체(422)의 일측 둘레부에 설치된 복수의 신호배선(26)의 단자(도시하지 않음)에 각각 접속되어 있다. 복수의 신호배선(426) 단자는 각각 신호선구동회로(42)에 접속되어 있다.
상기 주사선 구동회로(741) 및 신호선 구동회로(442)는 각각 액정 컨트롤러(443)에 접속되어 있다. 액정 컨트롤러(443)는 예를 들면 외부에서 공급되는 화상신호 및 동기신호를 수취하여 화소영상신호(Vpix), 수직주사제어신호(YCT) 및 수평주사제어신호(XCT)를 발생한다.
다른쪽의 투명기체인 앞측의 투명기체(421)의 내면에는 복수의 화소전극(424)에 대향하는 하나의 막형상의 투명한 대향전극(427)이 설치되어 있다. 앞측의 투명기체(421)의 내면에는 복수의 화소전극(424)과 대향전극(427)이 서로 대향하는 복수의 화소부에 대응시켜 칼라필터를 설치함과 동시에 상기 화소부 사이의 영역에대응시켜 차광막을 설치해도 좋다.
한쌍의 투명기체(421, 422)의 외측에는 도시하지 않는 편광판이 설치되어 있다. 또, 투과형의 액정표시장치(400)에서는 후측의 투명기체(422)의 후측에 도시하지 않는 면광원이 설치되어 있다. 또한, 액정표시장치(400)는 반사형 또는 반투과 반사형이어도 좋다.
이상 설명한 실시형태에 있어서는, 반도체장치로서 TFT에 관하여 설명하였지만, 반도체 박막을 기초로 하는 다른 반도체 소자, 예를 들어 다이오드에 대해서도 본 발명은 적용 가능하다.
반도체 소자를 사용하는 표시장치로서 액정표시장치에 관하여 설명하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니고 예를 들면 유기EL표시장치에도 적용할 수 있다.
또, 균일한 광 강도분포를 가지는 입사 레이저 광을 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광으로서 사출하는 광학변조소자로서 광의 회절, 간섭을 이용한 위상 시프터를 실시형태에서는 설명하였는데, 예를 들어 광의 반사 및/또는 흡수를 이용하여 상기 기능을 발휘시키는 다른 형식의 광학변조소자를 사용할 수도 있다. 이와 같은 광학변조소자는 예를 들면 도 14에 도시하는 위상 시프터(141, 142)에서 기판에 홈을 형성하는 대신에, 홈에 대응하는 개소에 흡수막 또는 반사막을 설치함으로써 형성된다.
상기한 설명으로 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 이하와 같은 기술사상을 포함하고 있다.
a-1. 기판과, 이 기판의 일면측에 설치된 반도체 박막을 구비하며, 이 반도체 박막은 일면측에서 봐서 표면 형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립에 의해 형성되어 있는 결정화영역을 가지며, 이 결정화영역은 이것의 한 면과 직교하는 단면의 결정방위가 (001)면인 반도체장치.
a-2. 상기 결정화영역은, 반도체 박막의 전체에 걸쳐 형성되어 있는 a-1에 기재한 반도체장치.
a-3. 상기 결정화영역은, 서로 분리된 복수의 섬형상영역에 의해 형성되어 있는 a-1에 기재한 반도체막장치.
a-4. 반도체장치를 동작시키는 전류의 적어도 일부가, 상기 결정화영역 내에서의 전류가 흐르는 방향의 단면을 상기 (001)면이 되도록 규정한 a-1 내지 a-3의 어느 하나에 기재한 반도체장치.
a-5. 기판을 준비하는 공정과,
상기 기판의 일면측에 비정질 또는 다결정의 반도체 박막을 형성하는 공정과,
상기 반도체 박막의 결정화영역에, 광학변조소자로 광 변조되어 극소 광 강도선을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 조사하여 상기 결정화영역에 결정핵이 상기 극소 광 강도선과 대응하며, 결정성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 Δ형상의 결정립을 형성하는 제1 레이저 조사공정과,
상기 결정화영역에 광학변조소자로 광 변조되어 극소 광 강도선을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을, 이것의 극소 광 강도선이 상기 Δ형상의 결정립의 밑변영역과 거의 대응시켜 조사하고, 이 밑변영역을 결정핵으로 하여 상기 결정화영역에결정성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 표면형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립을 성장시킴으로써, 상기 결정화영역을 단결정으로 하는 제2 레이저 조사공정을 구비하는 반도체장치의 제조방법.
a-6. 기판을 준비하는 공정과,
상기 기판의 일면측에 비정질 또는 다결정의 반도체 박막을 형성하는 공정과,
상기 반도체 박막의 결정화영역에 광학변조소자로 광 변조되어 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 조사하여 상기 결정화영역에 결정핵이 상기 최소 광 강도점과 대응하며, 결정성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 Δ형상의 결정립을 형성하는 제1 레이저 조사공정과,
상기 결정화영역에, 광학변조소자로 광 변조되어 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을, 이것의 최소 광 강도점이 상기 Δ형상의 결정립의 밑변영역과 거의 대응시켜 조사하고, 이 밑변영역을 결정핵으로 하여 상기 결정화영역에 결정성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 표면형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립을 성장시킴으로써, 상기 결정화영역을 단결정으로 하는 제2 레이저 조사공정을 구비하는 반도체장치의 제조방법.
a-7. 또한, 상기 단결정의 결정화영역에 소스영역과 드레인영역을 이 사이의 채널영역 내에서의 전류가 흐르는 방향의 단면이 상기 (001)면이 되도록 형성하는 공정을 구비하는 청구항 a-5 또는 a-6에 기재한 반도체장치의 제조방법.
a-8. 비단결정성의 반도체 박막에 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의레이저 광을 일면측에서 조사하여 결정핵이 상기 최소 광 강도점과 대응한 결정립을 횡방향으로 성장시켜 형성하는 제1 레이저 조사공정과,
상기 반도체 박막에, 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 이것의 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점이 상기 결정립의 성장 단부와 거의 대응시켜 조사하고, 이 성장 단부를 결정핵으로 하여 상기 반도체 박막에 결정립을 성장시킴으로써, 상기 반도체 박막을 결정화하는 제2 레이저 조사공정을 구비하는 반도체 박막의 결정화방법.
a-9. 상기 제1 레이저 조사공정은, 상기 결정립의 성장방향의 면방위가 소정 면으로, 다른 결정립보다도 성장이 빠른 결정립을 형성하는 공정을 가지며,
상기 제2 레이저 조사공정은, 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점이 상기 성장이 빠른 결정립의 성장 단부에 거의 대응시켜 조사하고, 이 성장 단부를 결정핵으로 하여 상기 반도체 박막에 결정성장방향의 면방위가 소정 면인 결정립을 성장시키는 공정을 가지는 a-8에 기재한 결정화방법.
a-10. 상기 제1 레이저 조사공정은, 상기 결정립의 성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 Δ형상의 결정립을 형성하는 공정을 가지며,
상기 제2 레이저 조사공정은, 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점이 상기 Δ형상의 결정립의 밑변 영역에 거의 대응시켜 조사하고, 이 밑변 영역을 결정핵으로 하여 상기 반도체 박막에 결정성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 표면 형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립을 성장시키는 공정을 가지는 a-8에 기재한 결정화방법.
a-11. 상기 제1 레이저 조사공정과 제2 레이저 조사공정에 있어서, 광학변조소자에 의해 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 형성하고 있는 청구항 a-8 내지 a-10 중 어느 하나에 기재한 결정화방법.
a-12. 상기 제1 레이저 조사공정과 제2 레이저 조사공정에서 사용되고 있는 광학변조소자는 같은 광학변조소자이며, 제1 레이저 조사공정과 제2 레이저 조사공정은 광학변조소자와 반도체 박막을 상대적으로 횡방향으로 시프트시켜 행하는 a-11에 기재한 결정화방법.
a-13. 상기 제1 레이저 조사공정과 제2 레이저 조사공정에 사용되고 있는 광학변조소자는, 하나의 기판에 형성된 다른 광학변조소자인 a-11에 기재한 결정화방법.
a-14. 상기 과학변조소자는 입사 레이저 광의 위상을 변조함으로써 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 위상 시프터를 가지는 a-11 내지 a-13의 어느 하나에 기재한 결정화방법.
a-15. 균일한 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 사출수단과,
비단결정의 반도체 박막을 지지하는 지지수단과,
이들 사출수단과 지지수단의 사이에 배치되어, 사출수단으로부터 사출된 레이저 광의 위상을 변조함으로써 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 사출하기 위한 광학변조소자와,
상기 사출수단과 지지수단을 반도체 박막의 한 면을 따라서 제1 위치와 제2위치의 사이에서 상대적으로 이동시키는 구동수단을 구비하며,
상기 광학변조소자는 상기 제1 위치에서 반도체 박막을, 이 반도체 박막에 결정핵이 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점과 대응한 결정립을 횡방향으로 성장시켜 형성되도록 조사하고, 상기 제2 위치에서 반도체 박막을, 상기 성장 단부를 결정핵으로 하여 상기 반도체 박막에 결정립을 성장시킴으로써, 상기 반도체 박막을 결정화하도록 조사하는 결정화장치.
a-16. 균일한 광 강도분포의 제1 및 제2 레이저 광을 서로 시간차를 가지고 사출하는 사출수단과,
비단결정의 반도체 박막을 지지하는 지지수단과,
이들 사출수단과 지지수단의 사이에 각각 배치된 제1 및 제2 광학변조소자를 구비하며,
상기 제1 광학변조소자는, 사출수단으로부터의 제1 레이저 광을 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광으로 변조하여 반도체 박막을 조사하고, 이 반도체 박막에 결정핵이 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점과 대응한 결정립을 횡방향으로 성장시켜 형성시키며, 또,
상기 제2 광학변조소자는, 사출수단으로부터의 제2 레이저 광을 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광으로 변조하여 반도체 박막을 조사하고, 상기 성장 단부를 결정핵으로 하여 상기 반도체 박막에 결정립을 성장시킴으로써, 상기 반도체 박막을 결정화하는 결정화장치.
a-17. 상기 사출수단은, 제1 레이저 광을 발하는 제1 광원과, 상기 광원으로부터의 제1 레이저 광의 광 강도분포를 균일하게 하여 상기 제1 광학변조소자에 입사시키는 제1 호모지나이즈 광학계와, 제2 레이저 광을 제1 레이저 광보다도 늦게 발하는 제2 광원과, 이 광원으로부터의 제2 레이저 광의 광 강도분포를 균일하게 하여 상기 제2 광학변조소자에 입사시키는 제2 호모지나이즈 광학계를 가지는 a-16에 기재한 결정화장치.
a-18. 상기 사출수단은, 레이저 광을 발하는 광원과, 상기 광원으로부터의 레이저 광을 제1 레이저 광과 제2 레이저 광으로 분기시키는 분기수단과, 상기 분기수단으로부터의 제1 레이저 광의 광 강도분포를 균일하게 하여 상기 제1 광학변조소자로 입사시키는 제1 호모지나이즈 광학계와, 상기 분기수단으로부터의 제2 레이저 광의 광 강도분포를 균일하게 하여 상기 제2 광학변조소자로 입사시키는 제2 호모지나이즈 광학계를 가지는 a-16에 기재한 결정화장치.
a-19. 상기 사출수단은, 광원으로부터의 레이저 광의 에너지 밀도를 제어하기 위한 어테뉴에이터를 가지는 a-16 내지 a-18 중 어느 하나에 기재한 결정화장치.
a-20. 상기 제1 및 제2 광학변조소자는 입사한 레이저 광의 위상을 변조함으로써 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 위상 시프터를 가지는 a-16 내지 a-19 중 어느 하나에 기재한 결정화방법.
a-21. 서로 이간하여 대면된 면을 가지는 제1 및 제2 기층과, 이들 대면된 면 사이에 배치된 액정과, 이들 대면된 면에 각각 설치된 복수의 제1 및 제2 전극과, 한쪽 기층의 상기 대면된 면 상에 형성된 화소전극 및 반도체 박막을 가지며,각 반도체 박막은 일면측에서 봐서 표면 형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립에 의해 형성되어 있는 결정화영역을 가지며, 이 결정화영역은, 이것의 한 면과 직교하는 단면의 결정방위가 (001)면인 표시장치.
a-22. 상기 반도체 박막은, 박막 트랜지스터의 소스영역과 드레인영역과 이들 영역 사이의 채널영역을 형성하며, 이 채널영역 내에서의 전류가 흐르는 방향의 단면이 상기 (001)면으로 되어 있는 a-21에 기재한 표시장치.
a-23. a-14에 기재한 결정화방법에 사용되는 위상 시프터로서, 기판과, 이 기판에 형성되어 같은 위상 시프트부 피치를 가지는 한쌍의 제1 위상 시프터 영역 및 제2 위상 시프트 영역을 가지며, 이들 제1 시프트 영역과 제2 위상 시프트 영역은 서로 1/2 만큼 위상 시프트부 피치가 어긋나, 기판의 한 면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 위상 시프터.
a-24. 상기 제1 위상 시프트영역의 위상 시프트 피치는 각각 위상 시프트부 피치가 다르고, 상기 기판의 한 면에 설치된 적어도 한쌍의 또다른 위상 시프트영역을 가지는 a-23에 기재한 위상 시프터.
b-1. 입사한 레이저 광을 한방향으로 연장한 극소 광 강도선을 가지는 광 강도분포의 레이저 광으로 제1 광학변조소자에 의해 변조함과 동시에, 입사한 레이저 광을 상기 한방향과 교차하는 방향으로 연장한 극소 광 강도선을 가지는 광 강도분포의 레이저 광으로 상기 제1 광학변조소자와는 광경로 상의 다른 위치에 배치된 제2 광학변조소자에 의해 변조하고, 이들 극소 광 강도선이 교차한 부분의 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 공정과,
상기 사출된 레이저 광을 비단결정 반도체 박막에 일면측으로부터 조사하여, 결정 개시점으로부터 상기 최소 광 강도점과 대응한 결정립을 횡방향으로 성장시키는 제1 레이저 조사공정을 가지는 반도체 박막의 결정화방법.
b-2. 상기 레이저 조사공정 후에, 레이저 광을 상기 결정립에 조사하여 상기 결정립을 더욱 성장시킴으로써 상기 반도체 박막을 결정화하는 제2 레이저 조사공정을 또한 구비하는 b-1에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
b-3. 상기 레이저 조사공정 후에, 상기 제1 및 제2 광학변조소자와 반도체 박막을 반도체 박막의 면을 따르는 방향으로 상대적으로 이동시켜, 상기 반도체 박막에 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 최소 광 강도점이 상기 결정립의 성장 단부와 거의 대응시켜 조사하고, 이 성장 단부를 결정성장기점으로 하여 상기 반도체 박막에 결정립을 성장시킴으로써 상기 반도체 박막을 결정화하는 제2 레이저 조사공정을 또한 구비하는 b-1에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
b-4. 상기 제1 레이저 조사공정은, 상기 결정립의 성장방향의 면방위가 소정 면으로, 다른 결정립보다도 성장이 빠른 결정립을 형성하는 공정을 가지며,
상기 제2 레이저 조사공정은, 상기 최소 광 강도점이 상기 성장이 빠른 결정립의 성장 단부에 거의 대응시켜 조사하고, 이 성장 단부를 결정성장기점으로 하여 상기 반도체 박막에 결정성장방향의 면방위가 상기 소정 면인 결정립을 성장시키는 공정을 가지는 b-3에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
b-5. 상기 제1 레이저 조사공정은, 상기 결정립의 성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 Δ형상의 결정립을 형성하는 공정을 가지며,
상기 제2 레이저 조사공정은, 최소 광 강도점이 상기 Δ형상의 결정립의 밑변 영역에 거의 대응시켜 조사하고, 이 밑변 영역을 결정핵으로 하여 상기 반도체 박막에 결정성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 표면 형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립을 성장시키는 공정을 가지는 b-3에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
b-6. 균일한 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 사출수단과,
비단결정의 반도체 박막을 지지하는 지지수단과,
상기 사출수단과 지지수단 사이의 광 경로 상의 각각 다른 위치에 배치되어, 사출수단으로부터 사출된 레이저 광의 위상을 변조함으로써 제1 및 제2 극소 광 강도선을 각각 광 강도분포의 레이저 광을 사출하기 위한 제1 및 제2 광학변조소자를 구비하며,
상기 제1 광학변조소자 및 제2 광학변조소자는, 상기 제1 극소 광 강도선과 제2 극소 광 강도선이 교차하여 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포를 가지는 레이저 광으로 변조하도록 배치되어 있으며, 이 변조된 레이저 광이 반도체 박막에 일면측으로부터, 결정성장점부터 최소 광 강도점과 대응한 결정립을 횡방향으로 성장시키도록 조사되는 결정화장치.
b-7. 상기 사출수단과 지지수단을 반도체 박막의 면을 따르는 방향으로 상대적으로 이동시키는 구동수단을 또한 구비하며,
상기 구동수단은, 상기 반도체 박막에 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 최소 광 강도점이 상기 결정립의 성장단부와 거의 대응시켜 조사하고, 이 성장단부를 결정성장기점으로 하여 상기 반도체 박막에 결정립을 성장시키도록, 상기 제1 및 제2 광학변조소자와 반도체 박막을 반도체 박막의 면을 따르는 방향으로 상대적으로 이동시켜 위치시키는 b-6에 기재한 결정화장치.
b-8. 상기 구동수단은, 상기 사출수단과 지지수단의 적어도 한쪽을 이동시키는 b-7에 기재한 결정화장치.
b-9. 상기 광 경로상에 각각 설치되며, 상기 사출수단에서 사출된 레이저 광의 광 강도를 균일화하는 호모지나이즈 광학계 및 호모지나이즈 광학계의 결상면을 등배 또는 축소하는 투영렌즈를 가지는 b-6 내지 b-8의 어느 하나에 기재한 결정화장치.
b-10. 상기 제1 광학변조소자는, 상기 호모지나이즈 광학계의 결상면에 배치되어 있는 b-9에 기재한 결정화장치.
b-11. 상기 제1 광학변조소자는, 상기 투영렌즈의 결상면에 배치되어 있는 b-9에 기재한 결정화장치.
b-12. 상기 제1 광학변조소자는, 상기 호모지나이즈 광학계의 결상면에 배치되어 있으며, 또, 상기 제2 광학변조소자는, 상기 투영렌즈의 결상면에 배치되어 있는 b-9에 기재한 결정화장치.
b-13. 상기 투영렌즈의 결상면에는, 상기 반도체 박막의 한 면이 위치되며, 또 상기 호모지나이즈 광학계의 결상면에 제1 위상 시프터가 배치되어 있는 b-9에 기재한 결정화장치.
b-14. 상기 제1 및 제2 광학변조소자는, 입사 레이저 광을 변조함으로써 극소 광 강도선을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 제1 및 제2 위상 시프터를 각각 필요로 하는 b-6 내지 b-13의 어느 하나에 기재한 결정화장치.
b-15. 상기 제1 위상 시프터와 제2 위상 시프터의 각각은, 한 면을 가지는 투명한 기판과, 이 기판의 한 면에 서로 소정 간격을 가지고 평행하게 또 한 방향으로 연장한 직사각형의 가늘고 긴 홈을 가지며, 이들 홈은, 상기 기판의 한 면에 대해서 π의 깊이를 가지며, 홈과 상기 한 면과의 사이에 위상 시프트부를 규정하고 있는 b-14에 기재한 결정화장치.
b-16. 상기 제1 위상 시프터와 제2 위상 시프터는, 위상 시프트부의 피치가 다른 b-15에 기재한 결정화장치.
b-17. 상기 제1 위상 시프터와 제2 위상 시프터는, 이들 위상 시프트부가 직교하도록 배치되어 있는 b-15 또는 b-16에 기재한 결정화장치.
b-18. 상기 제1 위상 시프터와 제2 위상 시프터는, 이들 사이에 배치된 스페이서 수단에 의해 붙여 고정되어 있는 b-14 내지 b-17의 어느 하나에 기재한 결정화장치.
b-19. 상기 제1 위상 시프터의 기판과 제2 위상 시프터의 기판은, 공통 투명기판에 의해 일체적으로 형성되며, 상기 제1 위상시프터의 홈은 공통 투명기판의 한 면에 형성되고 또 상기 제2 위상 시프터의 홈은 공통 투명기판의 다른 면에 형성되어 있는 b-14 내지 b-17의 어느 하나에 기재한 결정화장치.
c-1. 방위표시지표를 가지는 기판을 준비하는 공정과,
상기 기판의 일면측에 비정질 또는 다결정의 반도체 박막을 형성하는 공정과,
상기 반도체 박막의 결정화영역에, 광학변조소자로 광 변조되어 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 상기 방위표시지표를 기준으로서 일면측으로부터 조사하여, 상기 결정화영역에 결정성장기점이 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점과 대응하고, 상기 한 면을 따른 결정성장방향의 면방위가 상기 방위표시지표에 의해 기판의 어느 방향을 향하고 있는지를 알 수 있도록 결정립을 형성하는 공정을 구비하는 반도체 박막의 결정화방법.
c-2. 결정립을 형성하는 공정후에, 레이저 광을 상기 결정립에 조사하여 상기 결정립을 면방위의 방향으로 더욱 성장시킴으로써 상기 반도체 박막을 결정화하는 레이저 조사공정을 또한 구비하는 c-1에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
c-3. 상기 결정립을 형성하는 공정은, 상기 결정성장방향의 면방위가 (001)면이며, 일면측에서 봐서 거의 Δ형상의 결정립을 형성하는 공정인 c-2에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
c-4. 상기 레이저 조사공정은, 상기 더욱 성장하는 결정립이 일면측에서 봐서 거의 직사각형의 결정립이 되도록, 또한 결정립을 성장시키는 공정을 가지는 c-3에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
c-5. 상기 결정립을 형성하는 공정은, 상기 방위지시지표가 나타내는 방향과 상기 결정성장방향의 면방위가 일치하도록 행하는 청구항 c-1 내지 c-4의 어느 하나에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
c-6. 상기 기판은, 반도체 웨이퍼인 c-1 내지 c-5의 어느 하나에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
c-7. 상기 방위지시지표는 오리엔테이션 플랫, 노치 또는 표면으로의 마킹인 c-5에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
c-8. 상기 기판은, 직사각형의 투명기판인 c-1 내지 c-5의 어느 하나에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
c-9. 상기 방위지시지표는, 기판의 한변, 노치 또는 표면으로의 마킹인 c-5에 기재한 반도체 박막의 결정화방법.
c-10. 방위표시지표를 가지는 기판을 준비하는 공정과,
상기 기판의 일면측에 비정질 또는 다결정으로 기재한 반도체 박막을 형성하는 공정과,
상기 반도체 박막의 결정화영역에, 광학변조소자로 광 변조되어 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 상기 방위표시지표를 기준으로 하여 일면측에서 조사하여, 상기 결정화영역에 결정성장기점이 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점과 대응하고, 상기 한 면을 따른 결정성장방향의 면방위가 상기 방위표시지표에 의해 기판의 어느 방향을 향하고 있는지를 알 수 있도록 결정립을 형성하는 공정과,
상기 결정방위에 직교하여 동작전류가 흐르도록 구동영역을 형성하는 공정을 구비하는 반도체장치의 제조방법.
c-11. 상기 동작영역을 형성하는 공정은, 상기 반도체 박막 내에 소스영역과 드레인영역과, 이들 영역 사이에 위치한 채널영역을 형성하고, 상기 동작전류는 채널영역 속을 흐르는 c-10에 기재한 반도체장치의 제조방법.
c-12. 결정립을 형성하는 공정 후에, 레이저 광을 상기 결정립에 조사하여 상기 결정립을 상기 면방위의 방향으로 더욱 성장시킴으로써, 상기 반도체 박막을 결정화하는 레이저 조사공정을 또한 구비하는 청구항 c-10 또는 c-11에 기재한 반도체장치의 제조방법.
c-13. 상기 결정립을 형성하는 공정은, 상기 결정성장방향의 면방위가 (001)면이며, 일면측에서 봐서 거의 Δ형상의 결정립을 형성하는 공정인 c-10 내지 c-12의 어느 하나에 기재한 반도체장치의 제조방법.
c-14. 상기 광학변조소자는, 위상 시프터를 가지며, 상기 결정립을 형성하는 공정은 이 위상 시프터와 상기 방위표시지표를 위치를 맞추어 행하는 c-10 내지 c-13의 어느 하나에 기재한 반도체장치의 제조방법.
상기 각각의 양태에 관한 기술로 설명한 효과는 일례이며, 종래 기술의 다른 문제점에도 주의가 기울여져 있는 것은 용이하게 추측할 수 있을 것이다. 본 발명의 실시형태에서, 비단결정 기판, 예를 들어 비정질 반도체 박막이 대면적이라도, 전면 또는 선택된 영역에 소망의 면방위의 단결정영역을 형성할 수 있다. 이 면방위는 (001)면이며, 일반적인 단결정 실리콘 웨이퍼와 동등한 특성을 가지는 반도체장치를 형성할 수 있다.

Claims (19)

  1. 기판과, 이 기판의 일면측에 설치된 반도체 박막을 구비하고, 상기 반도체 박막은 일면측에서 봐서 표면형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립에 의해 형성되어 있는 결정화영역을 가지며, 상기 결정화영역은 이것의 한 면과 직교하는 단면의 결정방위가 (001)면인 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  2. 제1항에 있어서,
    반도체장치를 동작시키는 전류의 적어도 일부가 상기 결정화영역 내에서의 전류가 흐르는 방향의 단면을 상기 (001)면이 되도록 규정한 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  3. 비단결정성의 반도체 박막에 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 일면측에서 조사하여 결정핵이 상기 최소 광 강도점과 대응한 결정립을 횡방향으로 성장시켜 형성하는 제1 레이저 조사공정과,
    상기 반도체 박막에 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을, 이것의 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점이 상기 결정립의 성장 단부와 거의 대응시켜 조사하고, 이 성장 단부를 결정핵으로 하여 상기 반도체 박막에 결정립을 성장시킴으로써, 상기 반도체 박막을 결정화하는 제2 레이저 조사공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막의 결정화방법.
  4. 입사한 레이저 광을 한방향으로 연장한 극소 광 강도선을 가지는 광 강도분포의 레이저 광으로 제1 광학변조소자에 의해 변조함과 동시에, 입사한 레이저 광을 상기 한방향과 교차하는 방향으로 연장한 극소 광 강도선을 가지는 광 강도분포의 레이저 광으로 상기 제1 광학변조소자와는 광경로 상의 다른 위치에 배치된 제2 광학변조소자에 의해 변조하고, 이들 극소 광 강도선이 교차한 부분의 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 공정과,
    상기 사출된 레이저 광을 비단결정 반도체 박막에 일면측에서 조사하여 결정 개시점으로부터 상기 최소 광 강도점과 대응한 결정립을 횡방향으로 성장시키는 제1 레이저 조사공정을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 박막의 결정화방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레이저 조사공정 후에, 레이저 광을 상기 결정립에 조사하여 상기 결정립을 더욱 성장시킴으로써 상기 반도체 박막을 결정화하는 제2 레이저 조사공정을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 결정화방법.
  6. 제3항 또는 제5항의 결정화방법에 있어서,
    상기 제1 레이저 조사공정은, 상기 결정립의 성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 Δ형상의 결정립을 형성하는 공정을 가지며,
    상기 제2 레이저 조사공정은, 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점이상기 Δ형상의 결정립의 밑변 영역에 거의 대응시켜 조사하고, 이 밑변 영역을 결정핵으로 하여 상기 반도체 박막에 결정성장방향의 면방위가 (100)면으로, 일면측에서 봐서 표면 형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립을 성장시키는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 결정화방법.
  7. 제3항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1 레이저 조사공정과 제2 레이저 조사공정에 있어서, 같은 광학변조소자에 의해 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 형성하고, 제1 레이저 조사공정과 제2 레이저 조사공정은 광학변조소자와 반도체 박막을 상대적으로 횡방향으로 시프트시켜 행하는 것을 특징으로 하는 결정화방법.
  8. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 레이저 조사공정과 제2 레이저 조사공정에 있어서, 다른 광학변조소자에 의해 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 형성하고, 이들 광학변조소자는 하나의 기판에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 결정화방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 광학변조소자는 입사 레이저 광의 위상을 변조함으로써 극소 광 강도선또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 위상 시프터를 가지는 것을 특징으로 하는 결정화방법.
  10. 방위표시지표를 가지는 기판을 준비하는 공정과,
    상기 기판의 일면측에 비정질 또는 다결정의 반도체 박막을 형성하는 공정과,
    상기 반도체 박막의 결정화영역에 광학변조소자로 광 변조되어 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 상기 방위표시지표를 기준으로서 일면측에서 조사하여, 상기 결정화영역에 결정성장기점이 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점과 대응하여, 상기 한 면을 따른 결정성장방향의 면방위가 상기 방위표시지표에 의해 기판의 어느 방향을 향하고 있는지를 알 수 있도록 결정립을 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막의 결정화방법.
  11. 균일한 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 사출수단과,
    비단결정의 반도체 박막을 지지하는 지지수단과,
    이들 사출수단과 지지수단의 사이에 배치되어, 사출수단으로부터 사출된 레이저 광의 위상을 변조함으로써 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 사출하기 위한 광학변조소자와,
    상기 사출수단과 지지수단을 반도체 박막의 한 면을 따라서 제1 위치와 제2위치의 사이에서 상대적으로 이동시키는 구동수단을 구비하며,
    상기 광학변조소자는 상기 제1 위치에서 반도체 박막을, 이 반도체 박막에 결정핵이 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점과 대응한 결정립을 횡방향으로 성장시켜 형성되도록 조사하고, 상기 제2 위치에서 반도체 박막을, 상기 성장 단부를 결정핵으로 하여 상기 반도체 박막에 결정립을 성장시킴으로써, 상기 반도체 박막을 결정화하도록 조사하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  12. 균일한 광 강도분포의 제1 및 제2 레이저 광을 서로 시간차를 가지고 사출하는 사출수단과,
    비단결정의 반도체 박막을 지지하는 지지수단과,
    이들 사출수단과 지지수단의 사이에 각각 배치된 제1 및 제2 광학변조소자를 구비하며,
    상기 제1 광학변조소자는, 사출수단으로부터의 제1 레이저 광을 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광으로 변조하여 반도체 박막을 조사하고, 이 반도체 박막에 결정핵이 상기 극소 광 강도선 또는 최소 광 강도점과 대응한 결정립을 횡방향으로 성장시켜 형성시키며, 또,
    상기 제2 광학변조소자는, 사출수단으로부터의 제2 레이저 광을 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광으로 변조하여 반도체 박막을 조사하고, 상기 성장 단부를 결정핵으로 하여 상기 반도체 박막에 결정립을 성장시킴으로써, 상기 반도체 박막을 결정화하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  13. 균일한 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 사출수단과,
    비단결정의 반도체 박막을 지지하는 지지수단과,
    상기 사출수단과 지지수단 사이의 광경로 상의 각각 다른 위치에 배치되어, 사출수단으로부터 사출된 레이저 광의 위상을 변조함으로써 제1 및 제2 극소 광 강도선을 각각 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 각각 사출하기 위한 제1 및 제2 광학변조소자를 구비하며,
    상기 제1 광학변조소자와 제2 광학변조소자는, 상기 제1 극소 광 강도선과 제2 극소 광 강도선이 교차하여 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포를 가지는 레이저 광으로 변조하도록 배치되어 있으며, 이 변조된 레이저 광이, 반도체 박막에 일면측으로부터, 결정성장점부터 상기 최소 광 강도점과 대응한 결정립을 횡방향으로 성장시키도록 조사되는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 사출수단은, 제1 레이저 광을 발하는 제1 광원과, 상기 광원으로부터의 제1 레이저 광의 광 강도분포를 균일하게 하여 상기 제1 광학변조소자에 입사시키는 제1 호모지나이즈 광학계와, 제2 레이저 광을 제1 레이저 광보다도 늦게 발하는 제2 광원과, 이 광원으로부터의 제2 레이저 광의 광 강도분포를 균일하게 하여 상기 제2 광학변조소자에 입사시키는 제2 호모지나이즈 광학계를 가지는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 사출수단은, 레이저 광을 발하는 광원과, 상기 광원으로부터의 레이저 광을 제1 레이저 광과 제2 레이저 광으로 분기시키는 분기수단과, 상기 분기수단으로부터의 제1 레이저 광의 광 강도분포를 균일하게 하여 상기 제1 광학변조소자로 입사시키는 제1 호모지나이즈 광학계와, 상기 분기수단으로부터의 제2 레이저 광의 광 강도분포를 균일하게 하여 상기 제2 광학변조소자로 입사시키는 제2 호모지나이즈 광학계를 가지는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  16. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학변조소자는, 입사 레이저 광의 위상을 변조함으로써 최소 광 강도점을 가지는 광 강도분포의 레이저 광을 사출하는 위상 시프터를 가지는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  17. 서로 이간하여 대면된 면을 가지는 제1 및 제2 기층과, 이들 대면된 면 사이에 배치된 액정과, 이들 대면된 면에 각각 설치된 복수의 제1 및 제2 전극과, 한쪽 기층의 상기 대면된 면 상에 형성된 화소전극 및 반도체 박막을 가지며, 각 반도체 박막은 일면측에서 봐서 표면 형상이 거의 직사각형을 가지고 있는 결정립에 의해 형성되어 있는 결정화영역을 가지며, 이 결정화영역은, 이것의 한 면과 직교하는 단면의 결정방위가 (001)면인 것을 특징으로 하는 표시장치.
  18. 제10항 내지 제15항의 결정화장치의 광학변조소자로서 사용되는 위상 시프터로서, 기판과, 이 기판에 형성되어 같은 위상 시프트부 피치를 가지는 한쌍의 제1 위상 시프터 영역 및 제2 위상 시프트 영역을 가지며, 이들 제1 시프트 영역과 제2 위상 시프트 영역은, 서로 1/2 만큼 위상 시프트부 피치가 어긋나, 기판의 한 면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 위상 시프터.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 위상 시프트 영역의 위상 시프트 피치는 각각 위상 시프트부 피치가 다르고, 상기 기판의 한 면에 설치된 적어도 한쌍의 또다른 위상 시프트 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 위상 시프터.
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