半导体薄膜及其改性方法、评价方法和应用的制作方法

专利名称：半导体薄膜及其改性方法、评价方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及将非晶态半导体薄膜改性成多晶态半导体薄膜用的半导体薄膜的改性方法、改性后的半导体薄膜的评价方法、用该半导体薄膜形成的薄膜晶体管、以及包括具有用该薄膜晶体管构成的电路的平板型图像显示装置的半导体装置。
背景技术：
例如液晶显示装置等的平板型图像显示装置具有在适合采用玻璃的绝缘基板(以下也简称基板)上形成的半导体薄膜上制成的像素电路和驱动电路。作为构成像素电路和驱动电路的驱动元件，多半采用薄膜晶体管(TFT)。作为该薄膜晶体管的活性层，近年来代替非晶态半导体薄膜(典型地也称为非晶态硅半导体薄膜、或a-Si膜)，而采用多晶态半导体薄膜(同样典型地也称为多晶态硅半导体薄膜、或poly-Si膜)，能获得高度精细、高质量的图像显示。
以硅半导体薄膜为例，说明作为薄膜晶体管的活性层用的半导体薄膜。作为该活性层的半导体薄膜用多晶态硅半导体薄膜，能获得比使用非晶态硅半导体薄膜优异的特性。其理由能举出多晶态硅半导体薄膜与非晶态硅半导体薄膜相比，载流子(n沟道时为电子，p沟道时为空穴)的迁移率高，其结果，能使单元尺寸(像素尺寸)小而达到高精细化。另外，用通常的多晶态硅半导体薄膜形成薄膜晶体管时，需要采用1000℃以上(“以上”即“≥”)的高温工艺，但通过由激光进行的只是硅层的退火，使承载半导体薄膜的基板不致达到高温，而采用低温多晶态硅半导体薄膜形成技术，能使用廉价的玻璃基板，在这样的低温工艺中，能形成迁移率高的薄膜晶体管TFT。
通常，由于多晶态硅半导体薄膜的晶粒粒径越大迁移率越高，所以作为形成粒径大的多晶态硅半导体薄膜的方法，提出了各种各样的技术。一般说来，如“专利文献1”所述，采用这样的方法将脉冲激光整形为线光束状，使其强度分布的剖面呈梯形，沿线光束的短轴方向以短轴宽度的1/20左右的间距，错开一个发射单位，对非晶态硅半导体薄膜反复进行脉冲照射。非晶态硅半导体薄膜由于吸收照射的激光而温度上升，由于熔化导致温度下降。伴随该过程引起硅半导体薄膜的晶体化，非晶态硅半导体薄膜向多晶态硅半导体薄膜变化(这里，称其为改性)。多晶态硅半导体薄膜的平均粒径依赖于所照射的激光的能量密度而变化，但在非晶态硅半导体薄膜的晶体化所必要的最低能量密度以上的情况下，如果提高能量密度，则粒径增大，但在某阈值以上时，变成粒径平均为100nm(纳米)以下(“以下”即“≤”)的微晶。因此，必须用该微晶的阀值以下的能量密度进行照射。
与此不同，在“专利文献2”中，公开了这样一种方法使脉冲激光的照射区域的强度分布的剖面呈梯形，强度分布曲线的最大强度为具有使非晶态硅半导体薄膜变化成呈微晶的多晶态硅半导体薄膜的阈值以上的值，用该曲线的边缘的强度分布进行大粒径化。
以上，是平均粒径为1μm左右的技术，在将厚度为例如50nm的非晶态硅半导体薄膜变成多晶态硅半导体薄膜的情况下，粒径达到0.3μm以上的激光能量密度的容限(margin)约为10％左右，但其中一半左右突起的PV值为70nm以上。另外，所谓PV值用测定范围内的最高值和最低值的差来定义。
作为硅半导体薄膜的大粒径化技术的另一种方法，有控制光强度分布的方法。作为该现有技术的一种，如“专利文献3”中公开的技术所述，有称为横向晶体逐次生长法(SLS法)的方法。该方法是通过将激光的强度分布细分成微米尺寸的多条单位光束，沿面内方向形成温度梯度，强制地促进横向的晶体生长。该方法中，多个晶粒的晶体生长方向互相集中在边界上，在表面上形成突起。
形成该突起的位置对应于各单位光束的光强度的峰值位置。这是因为该位置的温度变得最高，所以从该峰值位置的两侧向该峰值位置进行晶体化，晶体生长集中在峰值位置。该突起比由上述的剖面呈梯形的进行了线光束整形的激光照射形成的多晶态硅半导体薄膜上的突起高，有时PV值达到100nm以上。
“专利文献4”和“专利文献7”中提出的方法是“专利文献2”中公开的方法的改良技术，是一种通过先用高强度的能量照射激光后，再用强度比它低的能量进行照射的强度分布控制，使晶粒增大的方法。关于该分布控制的方法，通过改变焦点位置和基板表面的位置，能获得非对称的强度分布。但是，利用该方法获得非对称的分布形状的变化的因果关系未公开。与此不同，在“专利文献5”中，同样通过改变焦点位置和基板表面的位置，从梯形变成倒挂钟形状，与“专利文献4”的结果矛盾。在“专利文献6”中，虽然也用同样的照射分布获得大颗粒的晶体，但未说明形成激光光束的方法。
上述的现有技术是使用脉冲激光的技术。这样的使用脉冲激光的硅半导体薄膜晶体化方法、即这里所说的改性方法，由于在晶体化后的多晶态硅半导体薄膜的表面上形成突起，所以其表面凹凸大。因此，在该半导体薄膜上例如作成薄膜晶体管的情况下，必须使多晶态硅半导体薄膜上形成的栅绝缘膜厚一些。其结果，存在晶体管的导通电流与栅绝缘膜的厚度成反比地减少的问题。
作为降低由剖面呈梯形的激光的线光束照射形成的多晶态硅薄膜的突起用的改良方法，“专利文献8”中公开了采用进行多次激光退火、分别用不同的能量密度进行照射的方法，来降低突起。专利文献8中公开的内容如下。即，非晶态硅半导体薄膜形成时含有的氢由于激光退火而急剧地释放，导致膜表面粗糙。这时，照射引起晶体化的阈值以下的低能量密度的激光，在晶体化退火之前使氢释放，防止膜表面皱裂。
另外，作为采用SLS法的降低突起的方法，“专利文献9”中公开了这样的方法通过激光照射进行了晶体化退火后，用完全熔化的能量密度的25％至75％的值，进行两次激光照射，来降低突起。
可是，以上的方法中有以下缺点。即，为了多级照射激光，有必要在基板上进行若干次激光扫描，存在退火工序所需要的时间长的问题。另外，在用分别不同的照射时间进行多种能量密度的多次扫描的情况下，由于脉冲激光的重复频率是一定的，所以照射时间不同会改变扫描速度，在形成了半导体薄膜的基板上的各扫描激光的照射脉冲重叠的情况下，有降低突起的效果在基板上发生斑驳的缺点。
即使采用降低突起的有效方法形成多晶态硅半导体薄膜，但由于存在激光功率随时间变化或晶体化前非晶态硅薄膜厚的面内变化，所以如果不包括晶体化后进行突起的检查、检测突起高的区域、换句话说检测表面粗糙度大的区域，使该区域再次结晶等的工序，则不能使基板全部表面呈管理基准以下的表面粗糙度。作为测量这样的表面粗糙度的众所周知的技术，有利用原子间力显微镜进行的评价方法。可是，在该方法中为了评价10μm×10μm的微小区域至少需要几分钟，所以在时间上不可能评价全部基板的表面粗糙度。
作为快速评价该表面粗糙度的方法，在“专利文献10”中示出了用表面光洁度(反射率)进行评价的方法。该方法由于用反射率进行评价，所以有存在由多晶态硅半导体薄膜的厚度或玻璃基板和多晶态硅半导体薄膜之间的基底膜的厚度引起的干涉的缺点。关于快速评价多晶态硅半导体薄膜的粒径的面内分布的方法，如“专利文献11”所述，已知用杂散光的角度分布的幅宽测量粒径的方法。
日本专利申请特开昭64-76715号公报[专利文献2]日本专利申请特开平9-246183号公报[专利文献3]WO97/45827号公报[专利文献4]日本专利申请特开平10-64815号公报[专利文献5]日本专利申请特开平10-312963号公报[专利文献6]日本专利申请特开2000-11417号公报[专利文献7]日本专利申请特开2002-313724号公报[专利文献8]日本专利申请特开2000-353664号公报[专利文献9]WO01/71791号公报 日本专利申请特开平11-274078号公报[专利文献11]日本专利申请特开2003-109902号公报为了降低对非晶态硅半导体薄膜进行激光退火而晶体化了的多晶态硅半导体薄膜的表面上形成的突起，在用多种能量密度的激光照射非晶态硅半导体薄膜的方法中，每一种照射的激光的能量密度的扫描次数增多，存在晶体化工序的时间长的缺点。另外，由扫描间距不同的多个扫描重叠引起的降低突起的效果，有在基板上(玻璃等基板上形成的半导体薄膜上，下同)出现斑驳的缺点。用图说明该缺点。
图22是激光照射能量密度随时间变化的说明图。图22的纵轴上的Eth表示引起晶体化的下限的阈值。另外，图23是通过多个激光扫描实施图22中的时间变化时引起的副作用的说明图，实线表示激光的照射能量密度E1的扫描间距，虚线表示激光的照射能量密度E2的扫描间距。这里，如图22所示，考虑对基板的同一个地方，在第一次用能量密度E1照射时间T1、第二次用能量密度E2照射时间T2的条件下，一边扫描基板总体，一边照射激光的情况。由于脉冲激光的重复频率是一定的，所以第一次的扫描间距是与1/T1成正比的值(∝1/T1)，第二次的扫描间距是与1/T2成正比的值(∝1/T2)。于是，考虑了上述两种扫描间距的重合时，如图23所示，基板上的重合斑驳状变得不均匀。由于其影响，突起的平均高度呈斑驳状面内变化的分布。

发明内容
因此，本发明的第一个目的在于，提供一种没有这样的周期性的突起高的区域的发生的降低突起的方法、采用使其成为可能的激光退火方法的半导体薄膜的制造方法及其制造装置。另外，本发明的第二个目的在于提供一种用本发明的制造方法制造的半导体薄膜。
另外，即使采用大粒径化而且降低突起的方法进行了晶体化，但由于激光功率随时间变化或非晶态硅半导体薄膜厚的基板面内变化，所以粒径及突起的高度在管理基准以内形成没有限制。因此，本发明的第三个目的在于，提供一种在基板的全部表面上用除了粒径以外还能检测全部突起的高度的测量方法，评价所制造的半导体薄膜的特性的评价方法及其评价装置。
还有，本发明的第四个目的在于，提供一种用本发明的半导体薄膜形成的薄膜晶体管。而且，本发明的第五个目的在于，提供一种备有利用该薄膜晶体管构成的电路的图像显示装置。
本发明的半导体薄膜的制造方法是一种通过激光的照射进行熔化和凝固，用所谓激光退火方法，在将非晶态硅半导体薄膜变成多晶态硅半导体薄膜时，为了降低多晶化了的硅半导体薄膜的表面粗糙度，通过多级能量密度照射进行退火的方法。在该退火方法中，在照射光学系统中设置控制激光透射率的面内分布的透射率分布滤光器，将激光整形成其长轴方向沿着与扫描方向正交的方向的线光束。而且，主要特征在于通过控制作为整形成了线光束的激光的扫描方向的该线光束的短轴方向的光强度分布，在扫描方向上通过一次扫描，进行多种能量密度的照射。
参照后面所述的实施例的说明中也使用的各图，说明本发明的半导体薄膜的改性方法、以及改性后的半导体薄膜的评价方法的特征。另外，在此先说明，这里的说明和后面所述的实施例的说明有重复的地方。
图1是实现本发明的半导体薄膜的制造方法用的激光退火光学系统。图1所示的激光退火装置的光学系统由短轴均化器5和长轴均化器4形成强度均匀的线光束分布。短轴均化器5由相对的一组柱面透镜阵列5A和5B构成。使来自激光光源2的激光透过衰减器3及长轴均化器4，入射到该短轴均化器5中。衰减器3是为了使从激光光源2发生的激光光束有规定的能量而进行调节用的。
利用设置在短轴均化器5后面的透镜10，使透过了短轴均化器5内的柱面透镜阵列5A和5B的各透镜元件的激光9重合在一次成像面上。所谓重合在该一次成像面上，是短轴均化器5的前一级的柱面透镜阵列5A的各透镜元件内部的光强度分布。柱面透镜阵列5的各透镜元件越小、个数越多，一次成像面上的光强度分布越均匀。
将形成了透射率的面内分布的滤光器(透射率分布滤光器)6设置在该一次成像面的位置上。该透射率分布滤光器6是用透明石英制成的，如图2所示，通过对表面进行反射率涂敷，成为用±0.5％左右的精度控制透射率的面内分布的滤光器。另外，透射率分布滤光器6的详细结构将在实施例中说明。根据该滤光器的透射率分布，用±0.5％左右的精度控制一次成像面的光强度分布，具有该光强度分布的激光利用反射镜7和透镜8，在形成了半导体薄膜的基板1的表面上进行缩小投影。将以上的短轴分布控制法称为一次成像面控制方法。
其次，参照图5及图6说明控制短轴方向的强度分布的另一种方法。控制短轴方向的强度分布的另一种方法，是在短轴均化器5的前一级，用透射率分布滤光器16控制构成该短轴均化器5的柱面透镜阵列5A的各透镜元件内部的光强度分布，来控制合成的分布的形状的方法。如图5所示，透射率分布滤光器16设置在短轴均化器5的前面。如图6所示，设置该情况下的透射率分布滤光器16，使其透射率分布对应于柱面透镜阵列5A，呈条纹状形成反射率控制涂敷膜，以便控制各透镜元件的短轴方向的光强度分布。最终，基板1的表面上的光强度分布形状呈各透镜元件内的强度分布重合的分布。图6表示3个透镜元件大小的条纹。将该方法称为均化器元件内分布控制方法。另外，透射率分布滤光器16的详细结构将在实施例中说明。
上述的两种短轴分布控制方法，虽然是将激光整形为线光束形状的激光退火装置中的光学系统及晶体化方法的改良，但也能适用于不是线光束的激光退火方法。以下说明本发明对专利文献1中公开的SLS法的适用方法。
如图13所示，一般的SLS晶体化装置由光源2、衰减器3、均化器25、透镜29、掩模26、成像透镜27、以及放置形成了非晶态硅半导体薄膜的基板1的移动台30构成。在衰减器3和均化器25之间、以及在成像透镜27和移动台30之间，分别配置以规定的角度反射入射的激光，改变激光的方向用的反射镜23、24、28。均化器25是进行激光光束整形和使整形后的激光光束内光强度均匀用的光学系统，通过与透镜29的组合，在掩模26的位置形成均匀的光束内强度分布。
该掩模26的位置对应于图1所示的光学系统的一次成像面。是一种利用该掩模26，在基板1的表面上形成光强度的明暗图形，通过在面内方向形成温度梯度，促进横向(与扫描方向正交的方向、宽度方向)的晶体生长，形成粒径大的晶体的方法。如用下面的图14要说明的那样，本发明的透射率面内分布控制滤光器即透射率分布滤光器31设置在掩模26附近，控制透过该掩模内的各图形的光强度。
图14中示出了图13中的掩模图形和滤光器透射率图形的组合的一例。掩模的开口部即狭缝26A的长轴沿着基板1的扫描方向。掩模的结构如下。区域A和区域B使狭缝26A的间隔的排列周期的相位相对于扫描方向错开1/2周期，同样区域C和区域D也互相使相位相对于扫描方向错开1/2周期，而且使区域A和区域C的周期相位的偏移与互相错开1/2周期不同，例如设定为1/4周期。这样设定的理由，是为了将非晶态硅半导体薄膜改性成多晶态硅半导体薄膜时使通过区域A和区域B的图形的照射形成的突起的位置与通过区域C和区域D的图形的照射形成的突起的位置相对地错开。
对应于上述掩模26的透射率分布滤光器31有形成了反射防止膜的区域32和形成了反射膜的区域33，这两个区域的透射率的差达10％以上。将该透射率分布滤光器31设置在掩模26附近。设置位置既可以设置在掩模26的设置位置的上游侧，也可以设置在下游侧。相对于脉冲激光的反复振荡频率，调整扫描间距，掩模图形的各区域只照射一次发射。参照图15说明一次扫描中的照射过程。如果区域A的图形一次发射照射在图15(a)所示的基板上形成的非晶态硅膜1A上，则会留下未被照射的区域。该未被照射的区域对应于区域A的被掩蔽的部分，是未晶体化的部分。
如图15(b)所示，在作为晶体化了的区域的区域A中，两个沿横向生长的晶粒36和37呈将形成了突起35的晶界夹在中间而存在的形状。下一次发射时用相同的能量密度对区域B的图形照射一次发射(图15(c))。由于该发射，前一次发射时未晶体化的区域将两侧的晶体作为晶种，晶体向中心生长。其结果，形成突起之间的距离成为平均晶界尺寸的多晶态硅半导体薄膜。此后，用低10％以上的能量的激光照射图15(d)所示的区域C的图形、图15(e)所示的区域D的图形。
在此情况下，用低10％以上的能量密度照射，使得形成突起的位置不同。用该能量密度的激光，不可能熔化厚度方向的全部硅半导体薄膜，只能熔化硅半导体薄膜的表层，所以不能形成晶界，在硅半导体薄膜的表层上只能形成突起。其结果，如图15(d)所示，在不是晶界位置的地方能形成低的突起40。由于原来高的突起形成低的突起，所以半导体薄膜移动，区域B照射后形成的突起39的高度降低。如上所述，本发明的特征在于，为了降低突起，通过一次扫描实施采用多级能量密度的SLS法。
另外，有利用与上述SLS法不同的方法促进横向的晶体生长的方法。该技术如日本专利申请特愿2002-284735中所述，与在SLS方法中利用呈周期性的狭缝图形的掩模不同，如图8所示，利用该相位移动掩模进行晶体化的方法，是将呈相位移动条纹图形的掩模(相位移动条纹掩模)41设置在在基板上形成的非晶态硅膜1A的附近，通过在该硅膜表面上调制激光的照射强度，在基板的全部表面上一边扫描一边形成横向生长的晶体的技术。该技术无须象SLS法那样在掩模和试样之间使用透镜，具有能适用于数条100mm长的线光束的优点。下面说明将本发明的透射率面内分布滤光器应用于该相位移动条纹法中，降低突起的方法。
图8表示使脉冲激光透过设置在基板1上的相位移动条纹掩模41，照射在基板上形成的非晶态硅膜1A上时的光强度分布和硅晶粒的晶体生长方向的关系。相位移动条纹掩模41的条纹图形的周期约为3μm。一次发射照射区域全部表面形成沿横向生长的晶粒。晶体的生长方向与SLS法相同，从激光强度低的方向向高的方向生长。因此，对应于激光强度的峰值位置形成突起42。
图7是将透射率分布滤光器应用于相位移动条纹法时的晶体化装置的光学系统，能利用使用线光束的通常的受激准分子激光退火装置。另外，设置本发明的透射率分布滤光器6的位置也与图1或图5相同。图7表示使滤光器6的设置位置与图1相同时的装置结构。相位移动条纹掩模41设置在基板1上。图9是从基板1上看到的照射区域的图，表示基板1的扫描方向、相位移动条纹掩模41的图形方向、以及线光束50的关系。相位移动条纹掩模41的条纹图形相对于基板1的扫描方向成一定的角度。这是因为在脉冲激光的反复振荡间隔之间，相位移动条纹和基板1的相对的移动量在扫描方向的条纹图形的一周期以内，而且每一次发射都错开进行。因此，每一次发射形成突起的排列位置错开。
利用透射率分布滤光器6，线光束50的短轴方向的强度分布设定成使图10所示的区域N的能量密度比区域M低10％以上。参照图10说明这样设定的情况下的晶体化的进行情况。对图10(a)所示的基板上形成的非晶态硅膜1A进行区域M的一次发射照射，照射区域内一并形成沿横向生长的晶粒。这时的平均晶粒约为突起间隔的1/2。通过反复进行该区域M的发射，总体沿多晶膜厚度方向反复呈现熔化现象，生长方向的平均粒径与突起间隔相等(图10(b))。但，突起的形成位置为用最后的发射形成的突起35最高，该位置主要成为晶界。在此以前通过发射形成的突起40低，多半情况下仍保留下来(图10(c))。区域N的发射由于比将总体厚度熔化的能量低，所以不能形成晶界，但只能形成低的突起。形成该低突起时，区域M的用最后的发射形成的高突起35，由于用来进行区域N照射引起的突起形成的表层的硅的流动而降低(图10(d))。
其次，即使采用上述的降低突起的方法进行晶体化，也存在激光功率随时间变化、以及晶体化前非晶态硅半导体薄膜的厚度的面内变化。因此，晶体化后进行检查(表面粗糙度评价)，检测到了存在高突起的区域时，通过再次使该区域晶体化，能在基板全部表面上使突起的高度在管理基准以下。
在此，如先前在背景技术中所述的那样，说明不受多晶态硅半导体薄膜的厚度的干涉的影响的表面粗糙度的评价方法。本发明的表面粗糙度评价方法是通过测定多晶态硅半导体薄膜的透射率和反射率，根据“1-(反射率+透射率)”，求“全散射断面积+吸收断面积”，由此评价表面粗糙度的方法。在该方法中，干涉的影响被反射率和透射率的和的值抵消。即，由于反射率因干涉的影响而增大的部分成为透射率减少的部分，所以反射率和透射率的和不受干涉的影响。在将本测量方法应用于非晶态硅半导体膜的情况下，表面粗糙度小，所以能忽视散射断面积，能根据吸收断面积，不受干涉的影响地评价非晶态硅半导体膜的厚度。
在多晶态硅半导体薄膜、单晶态硅半导体薄膜、以及能忽视多重散射引起的多重吸收的效果的薄膜中能同样地考虑吸收断面积，在多晶态硅半导体薄膜中成为依赖于平均厚度和波长的量。厚度分布的变化在1米见方的大型基板中约为±5％，能看成是恒定的。全散射断面积有依赖于粒径的部分和依赖于表面粗糙度的部分。通过将它与粒径评价方法组合，能测量表面粗糙度。即，在本发明中，通过在全部基板上测定按照粒径评价方法进行的粒径和“全散射断面积+吸收断面积”这两种量，作为评价表面粗糙度的方法。
以下说明评价突起的高度的上述以外的方法。该方法适合于评价用上述的SLS法或相位移动条纹掩模法形成的多晶态硅半导体薄膜的突起的排列周期及其高度的方法。在该方法中，利用来自光绕射图形的突起的绕射点的强度，评价突起的高度。即，这是一种绕射点的强度越强，评价为突起的高度越高的方法。
另外，在本发明中，使用利用上述的改性方法制造的多晶态硅半导体薄膜，获得迁移率高的薄膜晶体管，用该薄膜晶体管构成高速且高精细的图像显示装置。
如果采用本发明的半导体薄膜的改性方法，则能用一次扫描实现多种能量密度的激光照射。另外，通过多次扫描进行的多种能量密度的激光照射具有降低突起的效果，减少了由于扫描之间的脉冲间隔的不同而在基板面内发生班驳的现象，没有表面粗糙度达到PV值为70nm以上的区域。另外，即使由于任何故障致使表面粗糙度达到了70nm以上，也会通过全部表面的检查，检测出70nm以上的区域，通过对该区域进行再次晶体化，降低该突起的高度，最终能将突起降低到70nm以下。由于是使用突起为70nm的多晶态硅膜的TFT，所以作为不发生绝缘破坏不良用的栅绝缘膜的厚度，在一般使用的四乙氧基硅酸盐(TEOS)膜的情况下，能在110nm以下。
另外，本发明的薄膜晶体管能获得高的迁移率，如果采用使用该薄膜晶体管的图像显示装置，则能使驱动电路和像素电路的薄膜晶体管高速化且高精细化，提高显示品质。


图1是说明实现本发明的半导体制造方法的激光退火装置的光学系统之一例的模式图。
图2是说明图1中的透射率分布滤光器的表面结构例的模式图。
图3是通过设置图1中的透射率分布滤光器获得的短轴方向的光强度分布的说明图。
图4是不使用透射率分布滤光器，通过数次扫描改变激光的照射能量密度时的硅半导体晶体的暗视场光学显微镜照片。
图5是说明实现本发明的半导体制造方法的激光退火装置的光学系统的另一例的模式图。
图6是说明图5中的透射率分布滤光器的表面结构例的模式图。
图7是说明实现本发明的半导体制造方法的激光退火装置的光学系统的又一例的模式图。
图8是用相位移动条纹掩模进行硅半导体薄膜的晶体化的方法的说明图。
图9是透射率分布滤光器、相位移动条纹掩模的图形、以及基板扫描方向的说明图。
图10是使用透射率分布滤光器和相位移动条纹掩模时的硅半导体薄膜的晶体化的说明图。
图11是将透射率分布滤光器应用于和未应用于相位移动条纹掩模法时用扫描电子显微镜(SEM)观察到的硅半导体的晶体的照片。
图12是将透射率分布滤光器应用于相位移动条纹掩模法时突起的高度和透射率分布滤光器中的透射率差的关系的说明图。
图13是说明将透射率分布控制滤光器应用于SLS法中的激光退火装置的光学系统的模式图。
图14是采用SLS法的激光退火装置中使用的透射率分布控制滤光器的一例的说明图。
图15是将透射率分布滤光器用于SLS法中获得的硅半导体薄膜的晶体化的说明图。
图16是实现将表面粗糙度评价功能追加到粒径评价装置中的本发明的粒径评价方法的粒径评价装置的光学系统的模式图。
图17是用图16所示的粒径评价装置测定的表面粗糙量和用原子间力显微镜评价的表面粗糙度之间的相关关系的说明图。
图18是用图16所示的粒径评价装置能评价的关于粒径的量和关于表面粗糙度的量的二维分布的多晶态硅半导体薄膜的测定结构之一例的说明图。
图19是说明本发明的实施例3的不使用透射率分布滤光器而利用3μm间距的相位移动条纹图形形成的多晶态硅半导体薄膜的光绕射图形的照片。
图20是本发明的实施例3和实施例4中形成的多晶态硅半导体薄膜的绕射图形上的绕射点的位置和突起的间隔之间的关系的说明图。
图21是说明作为包括使用按照本发明的制造方法形成的多晶态硅薄膜的薄膜晶体管的显示装置的有源矩阵型液晶显示装置的主要部分结构例的剖面图。
图22是激光照射能量密度随时间变化的说明图。
图23是通过多个扫描实施图22所示的时间变化时引起的副作用的说明图。
图24是表示在相位移动条纹掩模法中，使受激准分子激光强度变化形成的多晶态硅膜的光绕射图形和表面电阻的关系曲线图。
图25是表示在相位移动条纹掩模法中形成的多晶态硅膜表面的突起的排列位置变化的周期和退火扫描间距的关系曲线图。
具体实施例方式
本发明通过利用有透射率面内分布的滤光器，能使扫描方向的激光的光束剖面的光强度分布为多级分布，由此通过使照射能量密度进行多级照射，能通过一次激光退火的扫描实施降低突起的方法。下面，展示关于该制造方法的实施例和评价突起的实施例。
图1说明实现本发明的半导体改性方法的激光退火装置的光学系统之一例的模式图。本实施例是将本发明的透射率分布控制滤光器应用于通常用的受激准分子激光退火装置的实施例。在图1中，激光器2是ラムダフイジツクス公司制的STEEL1000型XeCl受激准分子激光器。输出的激光的波长为308nm，脉冲时间宽度约为27纳秒(nS)，重复频率为300赫兹(Hz)，脉冲能量为1J/脉冲。该激光退火装置由日本制钢所制作，呈这样的结构利用由Microlas公司制的长轴均化器光学系统4和短轴均化器光学系统5、柱面透镜10、柱面透镜8、以及反射镜7，将激光整形成长轴为365mm、短轴为400μm的线光束，照射在基板1上。为了控制照射在基板1上的激光的强度分布，将透射率分布滤光器6设置在一次成像面上。如以下用图2说明的那样，该透射率分布滤光器6构成为，对石英板实施控制了反射率的表面涂敷，控制透射率分布。
图2是说明图1中的透射率分布滤光器6的表面结构例的模式图。透射率分布滤光器6的区域11是其透射率比区域12较高的区域。具体地说，对区域11的表面实施了反射率为1％的涂层，对区域12的表面实施了反射率为11％的涂层。而且，对全部背面实施了反射率为1％的涂层，结果区域11的透射率为98％，区域12的透射率为88％以下。
图3是通过设置图1所示的透射率分布滤光器6获得的短轴方向的光强度分布的说明图。虽然用可变衰减器3调节图3所示的分布区域X1的最大的照射能量强度，但其下限设定在基板1上形成的非晶态硅半导体薄膜成为高能量照射密度侧的微晶的阈值以上，调节的上限调节成，分布的后半个区域X3的能量密度至少为表层熔化的能量密度与透射率分布滤光器相比，ΔE的值为0.1Emax以上。在此情况下，区域X1中生成的高能量侧的微晶用区域X2的能量密度照射而融合，成为大粒径，在区域X3中由于只是表层熔化，所以能降低突起。
用图2中的区域11和区域12的透射率的差为13％的滤光器进行了实验，结果，平均粒径为0.5μm以上的照射能量密度的容限，在固定为区域X1和区域X3的宽度相等的条件的情况下为12％。在衰减器的透射率超过上述容限的80％至99％的范围内，突起的高度都在70nm以下。
图4是不使用透射率分布滤光器，通过数次扫描改变激光的照射能量密度时的硅半导体晶体的暗视场光学显微镜照片。这里，改变衰减器的透射率，进行两次扫描，进行了晶体化。第一次晶体化的扫描间隔为24μm，第二次晶体化的扫描间隔为14μm。图4(a)是第一次的衰减器透射率为94％，第二次的透射率比第一次低6％进行照射的图。在该条件下，第二次的照射能量密度也超过高能量密度侧的微晶的阈值，变成微晶区域，以14μm的间距能观察到微晶筋。分布的边缘部由于能量密度低，所以微晶局部地融合，在图4所示的照片中能观察到发白的区域。
图4(b)是第一次的衰减器透射率为88％，第二次的透射率比第一次低6％进行照射的图。照片中所看到的发黑的区域是通过第一次照射，发生高能量密度侧的微晶，通过第二次的低能量密度的照射，使变成相当于第一次的间距的24μm的周期的区域进行微晶融合，变成粒径大的区域。
这样，在不使用透射率分布滤光器，通过多级扫描、而且用多级能量密度照射激光的情况下，随着能量密度的不同，在硅半导体薄膜的试样中呈现形状不同的扫描间距。与此不同，在使用透射率分布滤光器的情况下，试样上呈现的扫描间距只有一种。在本实施例中，用扫描速度规定扫描间距，等于激光器2的反复振荡的1/300秒的时间间隔的移动量。
其次，用图5和图6说明实施例2。图5是说明实现本发明的半导体制造方法的激光退火装置的光学系统的另一例的模式图。图6是说明图5中的透射率分布滤光器6的表面结构例的模式图。该实施例基本上与用图1说明的实施例1的用激光器2和激光退火装置构成的结构相同。本实施例与实施例1的结构的不同点是，透射率分布滤光器16的设置位置在短轴均化器5之前、以及如图6所示透射率分布滤光器16的透射率分布呈条纹状，以便控制短轴均化器5内的柱面透镜阵列元件的内部强度分布。另外，短轴均化器5的柱面透镜阵列5A的透镜元件个数为5个，且其中用虚线13包围着示出入射了宽度为3条激光光束的情况。与图1中的实施例相同，实际上用9个构成，用虚线13包围的区域即激光透射区域设定为9个以内的区域。
在图6中，被虚线13包围的各区域(图6中为3个区域)是光透过各透镜元件的内部的区域，用透射率不同的区域14和区域15所示的两种条纹区域控制该各个区域内部的强度分布。试样基板的表面上的照射光强度分布成为短轴均化器5的透镜阵列5A的内部强度分布的合成，所以该透射率分布滤光器16用区域14和区域15的透射率的差，控制强度分布的台阶。
以下说明将透射率分布滤光器应用于采用相位移动条纹掩模的晶体化方法中的实施例。图7是说明实现本发明的半导体制造方法的激光退火装置的光学系统的又一例的模式图，示出了采用相位移动条纹法的激光退火装置的光学系统。本实施例是利用采用上述的实施例1及实施例2的线光束的通常的受激准分子激光退火装置的实施例。设置透射率分布滤光器6的位置可以是与图1或图5相同的位置。图7中使透射率分布滤光器的设置位置与图1的情况相同。在本实施例中，将相位移动条纹掩模41设置在基板1附近。该掩模的设置位置也可以是一次成像面。
图8是用相位移动条纹掩模进行硅半导体薄膜的晶体化的方法的说明图。如图8所示，相位移动条纹掩模41是对波长308nm来说使相位大致移动180度的图形以3μm的间距在石英基板上形成了凹凸条纹图形的掩模，沿着与整形为线光束的激光的长轴方向大致垂直的方向设置条纹图形。而且，从基板上形成的非晶态硅膜1A的表面离开0.9mm设置。其他结构与图1相同。透过相位移动掩模后的强度分布，由于脉冲受激准分子激光器随着均化器光学系统的不同，各种相位的光混合在一起，所以透过相差180度的相位移动掩模后强度分布的谷的强度不为零。因此，如果使其最低强度在晶体化的阈值以上，通过一次发射不会残留非晶态硅。
图8表示脉冲激光透过设置在基板上形成的非晶态硅膜1A上的相位移动条纹掩模41，照射在基板上的非晶态硅薄膜1A上时光强度分布和试样的晶体生长的关系。相位移动条纹掩模41的条纹图形的周期约为3μm。如图所示，在本实施例中，通过一次发射，透镜光的照射区域全部表面沿横向形成生长了的晶粒。晶体的生长方向与SLS法相同，从激光强度低的一侧向高的一侧生长，在激光强度的峰值位置形成突起42。
图9是透射率分布滤光器、相位移动条纹掩模的图形、以及基板扫描方向的说明图，是从基板1上看到的激光照射区域的图。相位移动条纹图形和基板扫描方向构成的角度设定为1度，扫描速度为7.2mm/秒。这时脉冲之间的移动间距约为24μm。另外脉冲之间的相位移动条纹图形和基板1的相对的移动量在扫描方向的条纹图形的一周期以内约为0.5μm。每一次发射形成突起的排列位置都偏移该量大小。图25中示出了突起的排列位置变化的周期和扫描间距的关系。随着扫描，一次发射时晶体化的区域每一扫描间距都发生偏移。这时突起的排列也偏移。因此，突起的排列位置变化的周期等于扫描间距。晶体生长的方向为掩模图形的间距方向，与扫描方向大致呈垂直的方向。
如图9所示，这样设置透射率分布滤光器平行于用虚线表示的线光束、而且成为透射率的M区和N区的边界设置在线光束内。该透射率分布滤光器用石英制成，在M区的表面上进行了反射率为1％的涂敷，在N区的表面上进行了反射率为11％的涂敷，在全部背面上进行了反射率为1％的涂敷。因此，M区和N区的能量密度差为10％以上。
图10是使用透射率分布滤光器和相位移动条纹掩模时的硅半导体薄膜的晶体化的说明图。在上述的结构中，通过对在图10(a)所示的基板上形成的非晶态硅膜1A进行M区的一次发射照射，在照射区域内一并形成沿横向生长的晶粒。这时的平均晶粒的大小约为突起间隔的1/2(图10(b))。伴随基板的扫描，对M区进行通过过程中的多次发射，沿多晶膜厚度方向反复呈现总体的熔化现象，所以生长方向的平均粒径与突起间隔相等(图10(c))。但是，突起的形成位置在由最后发射形成的突起35最高，该位置主要成为晶界。在此以前的发射形成的突起40多半情况下残留得低。由于N区的照射比使全部厚度的膜熔化的能量低，所以不能形成晶界，只能形成低的突起。
该低的突起形成中，M区的由最后的发射形成的高的突起35由于N区照射引起的突起形成用的表层硅的流动而变低(图10(d))。图10(d)模式地示出了衰减器3的透射率为90％、进行了晶体化的基板上的硅半导体薄膜。成为在晶界上存在的突起和晶粒内存在的突起的晶体。而且由于突起的排列位置变化的周期由一次扫描间距决定，所以在约24μm的周期中获得了只能形成一种的多晶态硅膜。
图11是将透射率分布滤光器应用于和未应用于相位移动条纹掩模法时用扫描电子显微镜(SEM)观察到的硅半导体的晶体的照片。图11(a)是用透射率分布滤光器进行了晶体化的晶体的SEM照片，图11(b)是不用透射率分布滤光器进行了晶体化的晶体的SEM照片。在图11所示的照片中观察到发白的地方是对应于表面上形成了突起的部分。图11(a)(b)中的标号L表示平均粒径，另外图11(b)中的Po主要表示排列着晶体晶界上的突起的地方，Pi主要表示排列着晶粒内的突起的地方。
在不使用图11(b)所示的透射率分布滤光器的情况下，虽然断定在晶体晶界的位置及晶粒内能形成可观察到发白的高的突起，但在使用透射率分布滤光器的图11(a)中情况中，由于突起低，所以不能清楚地观察SEM照片中能观察到发白的高的突起。该情况下的突起的PV值为70nm以下。
图12是将透射率分布滤光器应用于相位移动条纹掩模法时，突起的高度和透射率分布滤光器的透射率差的关系的说明图。图12是在10μm见方的区域中用原子间力显微镜对图9中的透射率分布滤光器的M区和N区的透射率的差进行了评价，将评价结果作成了曲线的图。根据图12所示的结果，判明了透射率的差在10％以上具有降低突起的效果，如果在15％以上，则PV值变为70nm以下。
关于晶粒的尺寸，由于相位移动条纹图形的间距为3μm，晶体生长到该间距的一半的尺寸，生长方向上的晶粒约为1.5μm。与晶体的生长方向垂直的方向上的晶界尺寸为0.5μm以下。通过正交的两个方向上的退火扫描，能使平均粒径在两个方向上都为1.5μm。
其次，说明将透射率分布控制滤光器应用于SLS法的实施例。图13是说明将透射率分布控制滤光器应用于SLS法的激光退火装置的光学系统的模式图。另外，图14是SLS法的激光退火装置中使用的透射率分布控制滤光器的一例的说明图。如图13所示，SLS法的激光退火装置(SLS晶体化装置)的光源2利用与实施例1同样结构的光源。即，在激光光源2的后级依次排列着衰减器3、均化器25、透镜29、掩模26、成像透镜27、以及放置形成了非晶态硅半导体薄膜的基板1的移动台30。而且，本发明的透射率分布控制滤光器31被插入透镜29和掩模26之间。在衰减器3和均化器25之间及成像透镜27和移动台30之间，分别排列着以规定的角度反射输入的光，改变光的方向用的反射镜23、24、28。
均化器25是对光束进行整形和使光束内的光强度均匀用的光学系统，通过与透镜29组合，在掩模26的位置形成均匀的光束内强度分布。图14中的掩模26是用铝制成的，作为掩模开口的狭缝26A的宽度为15μm，A区和B区相对于基板的扫描方向使狭缝26A的间隔的排列周期的相位互相偏移15μm。同样C区和D区也互相偏移15μm，而且A区和C区的周期相位的偏移互相设定得与15μm不同。
利用透镜27把掩模图形缩小1/5，投影到试样面上。由此在基板上形成周期为6μm、宽度为3μm的明暗的强度分布。掩模26的尺寸为50mm×50mm。掩模26上的A、B、C、D各区的宽度分别为10毫米。
图14所示的透射率分布滤光器31与掩模26的尺寸相同，在石英基板的表面上形成形成了反射率为1％的涂敷膜的区域32、以及形成了反射率为16％的涂敷膜的区域33，在背面上全部形成反射率为1％的涂敷膜。由此在掩模附近靠近上游侧设置了区域32和区域33的透射率的差为15％的滤光器。为了只进行一次发射照射，这样设定掩模图形的各区域脉冲间隔为1/300秒间的扫描移动量与图形的各区域在试样面上的间隔一致。
图15是将透射率分布滤光器用于SLS法中获得的硅半导体薄膜的晶体化的说明图。在上述的条件下，对图15(a)所示的基板表面的非晶态硅薄膜1A，按照照射区域A(图15(b))→照射区域B(图15(c))→照射区域C(图15(d))→照射区域D(图15(e))的程序进行激光退火。其结果，如图15(e)所示，晶体化了的硅半导体薄膜获得了有存在于晶界位置上的突起39A、以及存在于晶粒内的突起40的晶体。而且，突起的高度都在70nm以下。
这时晶体生长方向的尺寸为3μm。另外，这时与生长方向正交的方向的晶界的尺寸与实施例3的情况相同，为0.5μm以下。通过大致正交的两个方向的退火扫描，两个方向的晶界尺寸为3μm也是可能的。
其次，说明本发明的多晶态硅半导体薄膜的粗糙度评价方法的实施例。图16是实现将表面粗糙度评价功能追加到粒径评价装置中的本发明的粒径评价方法的、粒径评价装置的光学系统的模式图。该装置的基本结构与专利文献11中公开的技术相同。在图16中，标号69是框，在该框69中设置着由以下部分构成的基本结构形成了半导体薄膜的基板1的检查用(评价用)的波长为532nm的连续振荡激光光源60；由使激光照射在基板1上用的反射镜62、透镜65及开口63构成的照射光学系统；检测来自基板1的散射光角度分布的光检测器阵列67。为了在其中增加本实施例的粗糙度评价功能，所以增加了测定反射率和透射率用的结构。
用来测定增加粗糙度评价功能用的反射率和透射率的结构，该激光照射光学系统中增加了半反射镜64、监视反射光强度用的光检测器66、以及监视透射光强度用的光检测器68这6个系统部分。另外，还增加了监视激光的入射强度用的光检测器61。通过该增加，能测定反射率和透射率。
在本实施例中，为了在短时间内测量基板全部表面，采用6个系统的多光束结构，但每一个系统的激光照射强度约20mW以上即可，所以如果将功率大的激光器作为检查用光源，则能进一步增多系统个数，所以能进一步缩短检查时间。
图17是用图16所示的粒径评价装置测定的表面粗糙度和用原子间力显微镜评价的表面粗糙度之间的相关关系的说明图。图17是将测定了上述实施例3的各种条件的多晶膜的基板的结果与用原子间力显微镜测量的PV值进行比较的曲线图。纵轴是用原子间力显微镜测量的PV值，横轴是“1-(T+R)”。这里，T表示透射率，R表示反射率。图17中的直线α和直线β分别是共同斜率相关直线，表示PV值分布的上限和下限。这样就知道了PV值和“1-(T+R)”之间有相关关系。
图18是用图16所示的粒径评价装置能评价的关于粒径的量和关于表面粗糙度的量的二维分布的多晶态硅半导体薄膜的测定结构之一例的说明图。图18是根据专利文献11中公开的内容中的散射角度分布宽度，用粒径和1-(T+R)的二维分布表示的多晶膜的评价结果的例子。如图17所示，关于粒径和表面粗糙度两者，对多晶膜设定管理基准，实施激光退火工序的管理。即，平均粒径的管理基准为0.5μm，作为平均粗糙度设定PV值为70nm以下，不管哪一种管理基准，如果不清除，则再次晶体化，一直反复到满足两个管理基准为止。因此，所形成的多晶膜全部满足两个管理基准。
实施例5的粗糙度评价方法对实施例1、2、3、4中晶体化了的多晶态硅半导体薄膜的表面粗糙度都能适用，但关于实施例3和实施例4的横向生长的晶体，突起排列是有规则的，所以说明能评价突起排列间隔和突起的高度这两者的方法。
在该方法中，使用实施例5所示结构的装置，将测量散射光的角度分布的阵列检测器作为二维检测器。因此，根据来自突起的绕射光点的角度信息，评价突起间隔，用光点的强度评价突起的高度。
图19是说明本发明的实施例3的不使用透射率分布滤光器而利用3μm间距的相位移动条纹图形形成的多晶态硅半导体薄膜的光绕射图形的照片。图19(a)是沿一个方向进行退火扫描形成的多晶态硅半导体薄膜的光绕射图形，图19(b)是沿正交的两个方向进行退火扫描形成的多晶态硅半导体薄膜的光绕射图形。
从图19(a)、(b)能观察到分别来自突起的绕射光点，可知其排列依赖于退火扫描方向。绕射光点的强度依赖于突起的高度、检查用激光中包含的突起的个数、以及突起的排列秩序。检查用的激光的直径是一定的，所以突起的个数一定，在使用间距一定的相位移动掩模的情况下，由于排列秩序一定，所以绕射光点的光强度变成只依赖于突起的高度的量。
图24是不使用本发明的实施例3的透射率分布滤光器，而利用间距为2μm的相位移动条纹图形，改变照射能量密度，通过一个方向的退火扫描形成的多晶态硅半导体薄膜的光绕射图形和表面电阻的关系。横轴上的透射率与照射激光强度成正比。粒径越大，表面电阻越小，大致成倒数关系。如图11所示，如果晶粒细长，晶体沿长轴方向的表面电阻值与短轴方向的表面电阻值相比，可知透射率为84％，约为一半大小。如果将这时的光绕射图形(B)中的晶体沿长轴方向的角度分布和短轴方向的角度分布进行比较，则可知长轴方向的角度分布的宽度约为一半。与此不同，在透射率为72％、激光强度太弱的情况下，晶粒的长轴方向和短轴方向的表面电阻值的比率近似于1，但与此相对应，可知散射光的长轴方向的角度分布的宽度和短轴方向的角度分布的宽度大致相等。由以上可知，在晶粒细长的情况下，也能用散射光的角度分布宽度评价粒径。
图20是本发明的实施例3和实施例4中形成的多晶态硅半导体薄膜的绕射图形上的绕射点的位置和突起的间隔之间的关系的说明图。图20中的λ是激光的波长，d是在基板上形成的多晶态硅半导体薄膜上形成的突起(这里用t表示)的间隔，L是试样和绕射图形面的距离，p是“p＝L×tan(arcsin(mλ)/d)”。如图20所示，利用绕射面上的绕射光点的位置p，能评价突起t的间隔d。即，利用从各突起发生的散射光的光程差与波长的整数倍成正比获得形成绕射光点的方向的函数，能根据绕射光点的位置评价突起间隔。该突起的评价方法能适用于利用SLS法形成的多晶态硅薄膜的突起的评价。
如上所述，如相位移动条纹法或SLS法所示，在突起呈有规则排列的晶体化的制造工序中，采用了利用透射率分布滤光器的降低突起的方法，再测定光绕射点的强度，对该测定值设定管理基准。如果是超过管理基准的强度的区域，则改变照射该区域的能量密度，通过反复进行再次晶体化，直到满足管理基准，能使突起的高度的PV值全部在70nm以下。
其次，说明利用按照上述的各方法作成的多晶薄膜形成的薄膜晶体管、和用包含该薄膜晶体管的驱动电路或像素电路构成的显示装置的实施例。
图21是说明作为包括使用按照本发明的制造方法形成的多晶态硅薄膜的薄膜晶体管的显示装置的、有源矩阵型液晶显示装置的主要部分结构例的剖面图。该液晶显示装置如下构成。即，使液晶512夹在备有薄膜晶体管515、滤色片510及像素电极511的玻璃基板501与具有相对电极513的相对玻璃基板514的相对间隙中，进行封装。另外，在液晶512和各基板的边界上形成取向控制膜，但图中未示出。
在玻璃基板501的表面上形成底部涂层(氧化硅膜及氮化硅膜)502，在它上面形成非晶态硅半导体层，如上述制造方法的实施例中所述，通过本发明的激光退火，使多晶态硅薄膜层改性。在通过该激光退火获得的多晶态硅薄膜层上形成薄膜晶体管515。即，通过将杂质掺杂在由多晶态硅半导体薄膜构成的半导体层503的两侧，形成多晶态硅的源半导体层504a及多晶态硅的漏层504b，在它上面通过栅氧化膜(栅绝缘层)505，形成栅极506。
源/漏极508通过在层间绝缘膜507上形成的连接孔(接触孔)，分别连接在源半导体层504a及漏半导体层504b上，在它上面设置保护膜509。然后，在保护膜509上形成滤色片510及像素电极511。特别是在本发明的实施例3及实施例4的激光退火法中，由一次扫描形成的晶体由于晶粒的尺寸随着方向的不同而不同，使薄膜晶体管515的源/漏极508的方向(即，沟道方向)与多晶态硅半导体晶粒的尺寸大的方向一致。另外，在使扫描方向为两个方向进行退火的多晶态硅半导体晶体中，没有必要这样一致。
该薄膜晶体管构成液晶显示装置的像素电路，用来自图中未示出的扫描线驱动电路的选择信号进行选择，用从图中未示出的信号线驱动电路供给的图像信号，驱动像素电极511。在被驱动的像素电极511和相对玻璃基板514的内表面上具有的相对电极513之间形成电场。利用该电场，控制液晶512的分子取向，进行显示。
另外，也能用与上述像素电路同样的多晶态硅半导体薄膜形成构成上述的扫描线驱动电路或信号线驱动电路的薄膜晶体管。另外，本发明不限于液晶显示装置，也能适用于有源矩阵型的其他显示装置，例如有机EL显示装置或等离子体显示装置、以及其他各种显示装置，或者同样能适用于构成太阳电池的半导体薄膜的制造。
如上所述，通过采用使用本发明的激光退火法的半导体制造方法及其评价方法，能批量地生产呈现优异特性的本发明的薄膜晶体管，用该薄膜晶体管能以非常高的合格率制造高品质的本发明的显示装置。
在用玻璃等制的绝缘基板上形成以薄膜晶体管为代表的有源元件，形成图像显示装置的情况下，或者在形成太阳电池的情况下该半导体薄膜能作为降低了表面粗糙度的半导体基板利用。
权利要求
1.一种半导体薄膜的改性方法，通过使呈线光束形状的激光一边沿着与该线光束的长轴方向交叉的方向进行扫描，一边照射非晶态半导体薄膜，进行晶体化，将该非晶态半导体薄膜改性成多晶态半导体薄膜，该方法的特征在于通过透过把上述线光束内的光强度分布控制成一定的透射率面内分布的透射率分布滤光器，进行上述晶体化。
2.根据权利要求1所述的半导体薄膜的改性方法，其特征在于上述透射率分布滤光器的上述透射率面内分布，由上述激光的透射率在上述线光束的短轴方向上不同的区域构成。
3.根据权利要求2所述的半导体薄膜的改性方法，其特征在于上述透射率分布滤光器的上述透射率面内分布，呈上述激光的透射率不同的区域在上述线光束的短轴方向上交替地分布的分布形状。
4.一种半导体薄膜的改性方法，通过使激光一边进行扫描，一边照射非晶态半导体薄膜，进行晶体化，将该非晶态半导体薄膜改性成多晶态半导体薄膜，该方法的特征在于将上述激光在上述扫描方向上的照射激光内的光强度分布控制成，由具有使改性后的上述多晶态半导体薄膜在厚度方向上全部熔化的能量的区域、以及具有使该多晶态半导体薄膜在厚度方向上只熔化表层的能量的区域构成的强度分布，进行晶体化。
5.根据权利要求4所述的半导体薄膜的改性方法，其特征在于通过使上述激光透过具有一定的透射率面内分布的透射率分布滤光器和相位移动掩模，控制上述照射激光内的光强度分布。
6.根据权利要求5所述的半导体薄膜的改性方法，其特征在于上述透射率分布滤光器的上述透射率面内分布，由上述激光的透射率在上述线光束的短轴方向上不同的区域构成。
7.根据权利要求5所述的半导体薄膜的改性方法，其特征在于上述透射率分布滤光器的上述透射率面内分布，呈上述激光的透射率不同的区域在上述线光束的短轴方向上交替地分布的分布形状。
8.根据权利要求4所述的半导体薄膜的改性方法，通过使激光一边进行扫描，一边照射非晶态半导体薄膜，进行晶体化，将该非晶态半导体薄膜改性成多晶态半导体薄膜，该方法的特征在于通过使照射激光束内的光强度分布透过具有一定的透射率面内分布的透射率分布滤光器和狭缝掩模，控制上述照射激光内的光强度分布。
9.根据权利要求8所述的半导体薄膜的改性方法，其特征在于上述透射率分布滤光器，由上述激光的透射率在上述线光束的短轴方向上不同的区域构成。
10.一种激光退火装置，通过使激光一边扫描，一边照射非晶态半导体薄膜，进行晶体化，将该非晶态半导体薄膜改性成多晶态半导体薄膜，该装置的特征在于通过将把上述线光束内的光强度分布控制成一定的透射率面内分布的透射率分布滤光器设置在装置内光学系统的成像面附近，控制照射光束强度分布曲线，进行上述晶体化。
11.一种多晶态半导体薄膜，该薄膜是通过使呈线光束形状的激光一边沿着与该线光束的长度方向交叉的方向进行扫描，一边照射非晶态半导体薄膜，进行晶体化而改性成的多晶态半导体薄膜，其特征在于上述改性后的多晶态半导体薄膜的晶粒有沿一个方向横向生长而成的形状，在上述晶粒的晶界和晶粒内存在突起，且上述突起的上述一个方向的排列位置变化的周期只存在一种。
12.一种多晶态半导体薄膜，该薄膜是通过使呈线光束形状的激光一边沿着与该线光束的长度方向交叉的方向进行扫描，一边照射非晶态半导体薄膜，进行晶体化而改性成的多晶态半导体薄膜，其特征在于上述改性后的多晶态半导体薄膜的晶粒具有沿面内两个方向呈横向生长而成的形状，在上述晶粒的晶界和晶粒内存在突起，而且上述突起的上述方向的排列位置变化的周期沿各方向只存在一种。
13.根据权利要求11所述的多晶态半导体薄膜，其特征在于上述多晶态半导体薄膜包含其晶界尺寸沿其一个方向为≥1.5μm、且沿着与上述一个方向大致正交的另一个方向的晶界的尺寸为≤0.5μm的晶粒，表面的上述突起的高度在数微米见方的面积内的PV值为≤70nm。
14.根据权利要求12所述的多晶态半导体薄膜，其特征在于上述多晶态半导体薄膜包含其晶界尺寸沿其一个方向为≥1.5μm、且沿着与上述一个方向大致正交的另一个方向的晶界的尺寸也为≥1.5μm的晶粒，表面的上述突起排列在大致正交的直线上，且该突起的高度在数微米见方的面积内PV值为≤70nm。
15.一种半导体膜评价装置，是评价透明基板上的半导体膜的半导体膜评价装置，其特征在于将激光照射在上述半导体膜上，测定反射率和透射率，测定“1-(反射率+透射率)”的值。
16.一种多晶态半导体薄膜评价装置，是评价多晶态半导体薄膜的多晶态半导体薄膜评价装置，其特征在于通过测量上述多晶态半导体薄膜的光绕射图形面上的绕射光点的强度及散射光强度的角度分布，进行多晶态的表面粗糙度和粒径的评价。
17.一种薄膜晶体管，其特征在于用下述的多晶态半导体薄膜形成，该多晶态半导体薄膜包含其晶界的一个方向的尺寸为≥1.5μm、且沿着与上述一个方向大致正交的晶界的另一个方向的尺寸为≤0.5μm的晶粒，且表面上有呈直线状排列的突起，该突起的高度在数微米见方的面积内的PV值为≤70nm。
18.一种薄膜晶体管，其特征在于包含下述的多晶态半导体薄膜，该多晶态半导体薄膜包含其晶界的一个方向的尺寸为≥1.5μm、且沿着与上述一个方向大致正交的晶界的另一个方向的尺寸也为≥1.5μm的晶粒，且表面上有排列在大致正交的直线上的突起，用PV值表示的该突起的高度在数微米见方的面积内为≤70nm。
19.一种图像显示装置，其特征在于包含用多晶态半导体薄膜形成的薄膜晶体管电路，该多晶态半导体薄膜包含其晶界的一个方向的尺寸为≥1.5μm、且沿着与上述一个方向大致正交的晶界的另一个方向的尺寸为≤0.5μm的晶粒，且表面上有排列在大致正交的直线上的突起，用PV值表示的该突起的高度在数微米见方的面积内为≤70nm。
20.一种图像显示装置，其特征在于包含多晶态半导体膜，该多晶态半导体膜包含其晶界的一个方向的尺寸为≥1.5μm、且沿着与上述一个方向大致正交的晶界的另一个方向的尺寸也为≥1.5μm的晶粒，且表面上有排列在大致正交的直线上的突起，用PV值表示的该突起的高度在数微米见方的面积内为≤70nm。
全文摘要
提供一种半导体薄膜及其改性方法、评价方法和应用。在用激光退火法形成多晶态半导体的方法中，降低多晶态半导体膜的表面粗糙度。在激光退火装置的光学系统中设置透射率分布滤光器，将形成了非晶态硅半导体薄膜的基板上的扫描方向的照射光强度分布，控制成有高能量光强度侧的微晶阈值以上的能量区和只熔化表层的能量区的分布，通过应用于利用通常的线光束的受激准分子激光退火法、或相位移动条纹掩模法、或SLS法中，能降低用各种方法获得的多晶的表面突起的高度。
文档编号B23K26/06GK1610061SQ20041005904
公开日2005年4月27日 申请日期2004年7月29日 优先权日2003年10月24日
发明者武田一男, 佐藤健史, 斋藤雅和, 后藤顺 申请人:株式会社日立显示器