晶化方法，晶化设备，处理衬底，薄膜晶体管及显示器设备.pdf

本发明提供一种晶化方法、一种晶化设备、一种薄膜晶体管和一种显示设备，该晶化方法可以设计出在衬底的入射表面上优化的光强度和分布(BP)的激光束、形成所需的结晶结构同时抑制产生任何其它不需要的结构区域并满足低温处理的需要。当通过将激光束辐照至其来结晶非单晶半导体薄膜时，到达非单晶半导体薄膜上的辐照光束具有一种光强度分布(BP)的光强度和熔化非单晶半导体的光强度，该光强度分布(BP)周期性地重复单调增加和单调减少。此外，在非单晶半导体薄膜的激光束入射表面上设置至少一氧化硅膜。

1、  一种晶化方法，该晶化方法通过将激光束辐照至其来结晶非单晶半导体薄膜，其特征在于，包括：
相对于从激光光源发射的该激光束的入射角和光强度的至少之一进行均匀化；
将已均匀化的激光束的光强度分布调制为周期性地重复单调增加和单调减少的光强度分布；
将具有已调制的光强度分布的该激光束辐照到该非单晶半导体薄膜并熔化该部分非单晶半导体薄膜。

2、  一种晶化方法，其特征在于，将用于结晶的光强度的最大值调整为比会产生用光束辐照并熔化以及结晶的晶粒的断裂的光强度更小的值。

3、  一种晶化方法，其特征在于，将光强度的最大值调整为比会产生用光束辐照、熔化并结晶的晶粒的断裂的光强度更小的值，并且将光强度的最小值调整为等于或高于熔化非单晶半导体薄膜的光强度的值。

4、  根据权利要求1的晶化方法，其特征在于，光强度分布是辐照光束，该辐照光束以相同幅度和相同周期单调增加和单调减少。

5、  根据权利要求1的晶化方法，其特征在于，周期性地重复单调增加和单调减少的光强度分布的一个周期的距离落入0.001mm至1mm的范围。

6、  根据权利要求1的晶化方法，其特征在于，周期性地重复单调增加和单调减少的光强度分布在一个周期之内线性地增加并线性地降低。

7、  根据权利要求1的晶化方法，其特征在于，重复单调增加和单调减少的光强度分布在一个周期之内具有对称的波形。

8、  根据权利要求1的晶化方法，其特征在于，单调增加和单调减少的光强度分布具有三角形波形。

9、  根据权利要求1的晶化方法，其特征在于，在单调增加和单调减少的光强度分布中，从单调增加的波形至单调降低的波形的转换部分具有一个陡度。

10、  根据权利要求1的晶化方法，其特征在于，在单调增加和单调减少的光强度分布中，从单调降低的波形至单调增加的波形的转换部分具有一个陡度。

11、  根据权利要求1的晶化方法，其特征在于，辐照光束是通过利用相位调制光学系统调制的脉冲激光束，该相位调制光学系统以一种方式调制激光束的相位以使光强度具有重复单调增加且单调降低的重复图形的光强度分布。

12、  根据权利要求1的晶化方法，该晶化方法通过将激光束辐照至其来结晶非单晶半导体薄膜，其特征在于，在用于辐照光束的非单晶半导体薄膜的入射表面上设置至少一氧化硅膜。

13、  根据权利要求12的晶化方法，其特征在于，氧化硅膜的膜厚度不小于30nm且不大于500nm。

14、  根据权利要求1的晶化方法，其特征在于，辐照光束是相对于光强度均匀化的光束。

15、  一种晶化方法，其特征在于，当通过利用邻近型晶化设备来结晶该非单晶半导体薄膜的辐照表面时，其中在该非单晶半导体薄膜的辐照光束入射表面附近设置具有多个部分的相位调制光学系统，该相位调制光学系统的多个部分调制由均化器来均匀化的激光束的相位，
将在该非单晶半导体薄膜的该辐照光束入射表面上设置的该氧化硅膜的膜厚度设置为不小于30nm且不大于340nm。

16、  一种晶化方法，其特征在于，当通过利用投影型晶化设备来结晶该非单晶半导体薄膜的辐照表面时，其中在该非单晶半导体薄膜的辐照光束入射表面上图像化地形成具有多个部分的相位调制光学系统的发送的光束，该相位调制光学系统调制由均化器来均匀化的激光束的相位，
将在该非单晶半导体薄膜的该辐照光束入射表面上设置的氧化硅膜的膜厚度设置为不小于80nm且不大于400nm。

17、  一种晶化设备，该晶化设备通过将激光束辐照至其来结晶非单晶半导体薄膜，其特征在于，包括：
将具有一光强度的辐照光束辐照到该非单晶半导体薄膜，该光强度具有周期性重复单调增加和单调减少的光强度分布并熔化该非单晶半导体薄膜。

18、  一种晶化设备，该晶化设备通过将激光束辐照至其来结晶非单晶半导体薄膜，其特征在于，包括：
将具有一光强度的辐照光束辐照到该非单晶半导体薄膜，该光强度具有周期性重复单调增加和单调减少的光强度分布并熔化该非单晶半导体薄膜；以及
射束轮廓测量装置，以测量该辐照光束的光强度分布。

19、  根据权利要求17的晶化设备，其特征在于，该激光束是均匀化的激光束。

20、  根据权利要求17的晶化设备，其特征在于，将具有一光强度的辐照光束辐照到该非单晶半导体薄膜，该光强度具有周期性重复单调增加和单调减少的光强度分布并熔化该非单晶半导体薄膜，包括空间强度调制光学元件。

21、  根据权利要求20的晶化设备，其特征在于，该空间强度调制光学元件是一种调制进入的激光束的相位的移相器。

22、  一种晶化设备，该晶化设备通过将激光束辐照至其来结晶非单晶半导体薄膜，其特征在于，包括：
激光束光源；
安装基座，其上安装有该非单晶半导体薄膜的衬底；
均化器，其设置在该安装基座和该激光束光源之间并相对于光强度均匀化该激光束；以及
相位调制光学系统，其设置在该均化器和该安装基座之间并具有多个部件，该相位调制光学系统的多个部件调制由该均化器来均匀化的该激光束的相位。

23、  根据权利要求22的晶化设备，其特征在于，该安装基座不包括用于加热该衬底的加热器。

24、  一种处理衬底，其特征在于，包括：
衬底，由绝缘体、半导体和金属中的至少一种材料形成；
第一绝缘层，设置在该衬底上；
非晶半导体膜或非单晶半导体膜，设置在该第一绝缘层上；以及
第二绝缘层，其设置在该非晶半导体膜或该非单晶半导体膜上并具有不小于30nm且不大于500nm的厚度。

25、  根据权利要求24的处理衬底，其特征在于，该第二绝缘层是氧化硅膜。

26、  根据权利要求24的处理衬底，其特征在于，选择该第二绝缘层的膜厚度，以便落入由特性图中的直线d_cap＝0.568d_α-si+60和直线d_cap＝0.568d_α-si+160包围的范围之内，特性图示出了该非晶半导体膜或该非单晶半导体膜的膜厚度d_α-si(nm)与该第二绝缘层的膜厚度d_cap(nm)之间的关系。

27、  一种顶栅型薄膜晶体管，其特征在于，包括：半导体薄膜，包括在绝缘衬底上形成的源区、漏区和沟道区；栅绝缘膜，设置在该半导体薄膜上；以及栅电极，通过该栅绝缘膜设置在该半导体薄膜的一侧上，
其中通过辐照具有光强度分布的激光束来结晶该半导体薄膜，在辐照区域中该光强度分布周期性地重复单调增加和单调减少并熔化非单晶半导体薄膜。

28、  一种底栅型薄膜晶体管，其特征在于，包括：栅电极，形成在绝缘衬底上；栅绝缘膜，设置在该栅电极上；以及半导体薄膜，其包括源区、漏区和沟道区，并且被设置以通过该栅绝缘膜覆盖该栅电极，
其中通过辐照具有光强度分布的激光束来结晶该半导体薄膜，在辐照区域中该光强度分布周期性地重复单调增加和单调减少并熔化非单晶半导体薄膜。

29、  一种薄膜晶体管，其特征在于，包括：
源区和漏区，设置该源区和漏区以便夹住在通过根据权利要求1的晶化方法的该非单晶半导体薄膜的晶化区域中的沟道区，并且其中掺杂预定的杂质；
栅绝缘膜，形成在该沟道区上；
栅电极，形成在该栅绝缘膜上；
源电极，其与该源区电连接；以及
漏电极，其与该漏区电连接。

30、  一种显示器设备，其特征在于，包括：其间有一预定间隙的彼此粘接的一对衬底；以及在该间隙中保留的电光物质，其上形成有相对电极的一个衬底，由像素电极和半导体薄膜形成的另一个衬底，该半导体薄膜驱动该像素电极，
其中该显示器设备具有通过辐照具有光强度分布的激光束来结晶的半导体薄膜，在辐照区域中该光强度分布周期性重复单调增加和单调减少且熔化该半导体薄膜。

31、  一种显示器设备，利用权利要求28限定的薄膜晶体管作为像素驱动元件。

晶化方法，晶化设备，处理衬底， 薄膜晶体管及显示器设备
发明背景
本申请涉及一种在非单晶半导体薄膜的表面层部分制造场效应晶体管的技术，并且涉及用于制造场效应晶体管的单晶或多晶半导体薄膜衬底，以及涉及一种晶化方法、晶化设备、薄膜晶体管和适合用于制造例如液晶或有机EL的显示器设备或例如其中集成有场效应晶体管的信息处理设备的电子设备。
在玻璃衬底上形成的非晶半导体薄膜处形成例如液晶显示器单元的显示器设备。特别地，作为液晶显示器的显示模式，目前采用切换各个像素的有源矩阵模式，并且主要采用非晶硅薄膜晶体管(α-SiTFT)用于像素切换元件。由于数字化待处理的信息并经历因IT市场扩展导致的速度的提高，因此在显示这种信息的显示器设备中就需要高性能。作为满足这种需要的装置，通过在晶体区域上形成各自的像素的切换晶体管来提高切换速度，由此改善图像质量。
此外，通过具有内置的每个像素的电路处理数据，就能够实现小型化。
在液晶显示器(LCD)的技术发展中，研究敏锐地按以下发展：1、实现高分辨率，2、实现高数字孔径，3、减少重量，4、降低制造成本和作为目标确定的其它方面。为了实现这些性能，利用多晶半导体薄膜晶体管(Poly-SiTFT)的技术就达到了前面所述目的。由于Poly-SiTFT具有比两种外形(figure)或多种外形的α-SiTFT更高的迁移率，因此可以降低元件尺寸，并可以形成集成电路。因此，还可以在LCD上安装驱动电路或算术运算电路。
现在，参照图12A-12D，将描述一种用于基于根据现有技术的准分子激光晶化方法来制造多晶硅半导体薄膜晶体管的方法。例如，如图12A中所示，在如图12A中所示的玻璃衬底101上淀积底保护膜(例如，SiO₂膜、SiN膜和SiN/SiO₂叠层膜等)102和非晶硅薄膜103。然后，如图12B中所示，采用准分子激光器(XeCl、KrF等)104，辐照非晶硅薄膜的表面，准分子激光器104的光束已通过光学系统形成为正方形形状或伸长的形状。然后，通过准分子激光器104的辐照和加热，在50-100纳秒的非常短的时间内经过熔化和凝固过程将非晶硅薄膜103从非晶结构转换为多晶结构。当通过准分子激光器104沿箭头105所示的方向扫描并加热非晶硅膜103的整个表面时，就形成了如图12C中所示的这种多晶硅薄膜106。
上述处理称为准分子激光退火技术(此后，将此激光退火技术称为ELA方法)。当在由具有低熔点如玻璃的材料形成的衬底上制造高质量的多晶薄膜时，采用ELA方法。关于这些方面，例如，Nikkei在Mcrodevices，separate-volume FlatPanel Display 1999(Nikkei Business Publications，Inc.，1998，pp.132-139)中进行了详细描述。
通过采用图12C中描述的多晶硅薄膜106来制造图12D中所示的薄膜晶体管。通过膜形成，在该TFT的多晶硅薄膜106上设置栅绝缘膜107如SiO₂膜。而且，设置源极杂质注入区108和漏极杂质注入区109。在栅绝缘膜上设置栅电极110，形成保护膜111，并形成源电极113和漏电极114。通过上述步骤，就可以完成TFT，该TFT通过栅电极的电压来控制源极和漏极之间的电流。
然而，由这种ELA方法获得的晶体的晶粒尺寸为大约0.1μm。因此，在此结晶区中形成薄膜晶体管(TFT)的情况下，在一个薄膜晶体管的沟道区中就存在许多晶粒晶界。结果，这种晶体管就具有40-60cm²/vs的迁移率和大约10⁷的导通/截止电流比，因此它就显著地低劣于在单晶硅处形成的MOS晶体管。每个薄膜晶体管的特性因晶粒晶界数量的不均匀性而产生不一致，特别地，存在这种晶体管不适合于显示器设备的问题，在一个屏面中显示器设备需要均匀的显示。
此外，为了改善TFT的性能，已经报道了一种“相位调制准分子激光晶化方法”，该方法是一种使多晶硅单晶化的技术、作为ELA方法改进的方法。在相位调制准分子激光晶化方法中，通过控制如图2C中所示的射束轮廓B，就可以形成横向生长的其位置受控的硅晶粒r2。例如，第九届国际显示器研究会(IDW 02)学报第263-266页就描述了这种相位调制准分子激光晶化方法涉及的理论。在相位调制准分子激光晶化方法中，通过使用受控的射束轮廓，就易于形成横向生长的硅晶粒。在传统的ELA方法中，尽管例如2000年11月1日的应用物理杂志的第88卷第9期的第4994-4999页涉及射束轮廓与结晶单元的相互关系，由于后者中射束轮廓不受控，因此这些论点之间就存在明显的差异。
通过在单晶晶粒中形成TFT，而不负面影响晶粒晶界，就显著改善了TFT特性，由此形成功能元件，例如处理器、存储器、传感器和其它器件。作为这种晶化方法，例如有在W.Yeh和M.Matsumura的日本应用物理第41(2002)1909卷中描述的晶化方法或在日本应用物理协会于2002年秋季的第63届学术论文中Masato Hiramatsu等人的初始手稿2次校正的第779页、26a-G-2中描述的晶化方法。
由W.Yeh的前述参考描述了由SiON/SiO₂膜形成的盖层膜或由SiO₂膜形成地盖层膜。将具有0.8J/cm²能流的相位调制的激光束通过该盖层辐照到非晶硅膜。描述了用于沿平行于盖层膜方向横向生长晶粒而晶化非晶硅膜的方法。
此外，由Hiramatsu的后述参考描述了辐照相位调制的激光束，该激光束通过由具有被加热衬底的SiO₂膜形成的盖层膜被均匀化至一非晶硅膜。描述了一种方法，通过此方法使非晶硅膜的熔化区域在横向方向上进行晶体生长。
然而，当通过利用传统的相位调制准分子激光晶化方法来结晶硅膜时，就会产生下列问题。如图2D中所示，不仅在它的外部产生横向生长的硅晶粒r2还产生多晶晶粒r3，在其中心产生微细晶粒r4，并且还产生晶粒断裂区域r5。那是因为没有使光强度分布最佳化。
实际上，观察通过相位调制准分子激光晶化方法结晶的结构，产生了具有大晶粒尺寸的单晶区域r2，但是也产生了其它不希望的单元r4和r5。
而且，参考由W.Yeh说明的方法就可以获得具有大晶粒尺寸的晶粒，其不小于10μm的晶粒尺寸。然而，在一些情况下，在具有大晶粒尺寸的晶粒生长附近会产生具有小晶粒尺寸的微细晶粒，并且需要相对均匀(即紧密)形成所有具有大晶粒尺寸的晶粒一起作为膜结构。
此外，在参考由W.Yeh说明的方法并参考由Hiramatsu说明的方法中，为了提高晶粒的晶粒尺寸，需要相对于衬底温度的低温或常温处理。例如，在图31所示的传统晶化设备300中，辐照激光束250，同时通过采用包含在安装基座206中的加热器301在高温区域中加热衬底5。加热器301接收来自电源302的功率并能够将衬底5加热到300-750℃的温度范围，通过控制器303来控制电源302。
在某些情况下，衬底加热温度可以超过例如500℃。然后，通用玻璃(例如，钠玻璃)或塑料因加热就易于转变或变形，并且为了在液晶显示器(LCD)中将这种通用玻璃用作衬底，低温处理是必要条件。此外，在大屏面LCD中，因为强烈地需要减少它的重量并且因加热易于产生变形，因此就存在减少衬底的平板厚度的趋向。因此，为了确保薄衬底的平坦性，低温处理为必要条件。
本发明的一个目的是提供晶化方法和设备、薄膜晶体管和显示器设备，本发明可以设计出具有在衬底的入射表面上优化的光强度和分布的脉冲激光束(以下说明的“激光束”表示脉冲激光束)、形成所需的晶体结构同时抑制其它不需要结构区域的产生并满足低温处理的需要。
发明内容
为了实现此目的，本发明具有以下结构。预先检测用其开始横向生长的激光束强度JL、可输入的激光强度JB。测量与衬底表面相同的表面上的射束轮廓。将射束轮廓设置为具有一种波形例如三角形波形，该波形具有单调增加和单调减少以致最小激光强度变成不小于JL并且最大激光束强度变成小于JB。此时，由于获得JL的位置成为晶化的起始位置，所以就可以定义出晶体位置。
根据本发明的晶化方法，将具有光强度分布的激光束辐照到非单晶半导体薄膜，在非单晶半导体薄膜的辐照区域中该激光束以预定间隔周期性重复单调增加和单调减少。当辐照激光束时，至于光强度分布，假设等于或高于熔化非单晶半导体薄膜并允许它在横向方向上生长的光强度的光强度为最小值。而且，假设小于引起横向生长的晶粒断裂的光强度的光强度为最大值。这些都是本发明的特点。通过辐照具有这种光强度分布的激光束，晶粒就能稳定地在横向方向上生长而不会断裂。因此，就形成了适合于薄膜晶体管的具有均匀尺寸的大晶粒结构(图3的区域3)。
而且，光强度分布的最小值的特征在于，熔化非单晶半导体薄膜。通过辐照具有这种光强度分布的激光束，非单晶半导体薄膜的结构就全部晶化并成为多晶结构(图3中的区域2)。
此外，光强度分布的最大值的特征在于，光强度分布的最小值小于熔化非单晶半导体膜的光强度、并且在小于在横向生长的晶粒中产生断裂的光强度的光强度范围内。通过辐照具有这种光强度分布的激光束，就可以任意地改变多晶结构和非晶结构之比(图3中的区域1和2)。
根据非单晶半导体薄膜的至少一膜厚度和温度的条件，设置光强度的最大值和最小值。例如，在500℃的衬底温度条件下，就能够设置图9B中所示的射束轮廓。应当注意，图9B中所示的射束轮廓具有垂直轴上的光强度，该垂直轴为标准化的无量纲指数。这种标准化的光强度指数可以转变为具有实际单位(J/cm²)的激光能量密度(或注量)(fluence)。例如，通过光强度指数乘以平均激光能量密度(J/cm²)，就可以在每个位置处将光强度指数转换为激光能量密度(J/cm²)。
根据本发明，提供一种晶化设备，该晶化设备通过在非单晶半导体薄膜上辐照激光束来结晶非单晶半导体薄膜，包括：激光束光源；安装基座，其上安装有具有非单晶半导体薄膜的衬底；空间强度调制光学元件，其插入在激光束光源和衬底之间并调节衬底的入射表面上的光强度分布；用于通过使用激光束来测量衬底的入射表面上的激光束的强度和分布的装置(射束轮廓测量器件)；用于设计光强度分布的装置，在辐照区域中该光强度分布以预定间隔周期性重复单调增加和单调减少，当设计激光束的预定强度和分布为目标值时，光强度分布的最小值是超过熔化非单晶半导体薄膜的光强度的值并且最大值是小于断裂横向生长的晶粒的光强度的光强度的值；以及用于按一种方式以致测量的光强度和分布与设定的目标值相匹配来将由空间强度调制光学元件调制的激光束引至衬底的入射表面的装置。
希望测量装置具有参考光束进入到入射表面上的荧光屏，并用与衬底的入射表面基本相同水平设置的荧光屏进行测量。
希望空间强度调制光学元件采用将在此后说明的含有移相器的均匀化光学系统。均匀化光学系统由含有一对小透镜和光学部件例如多组聚光镜的均化器构成。
这里，“激光能量密度”指表示激光能量密度的光强度标度(scale)，通过将每单位面积的能量积分成每单位时间的能量来获得激光能量密度。
而且，“射束轮廓”指进入晶化目标膜的激光束的光强度分布。应当注意，进入整形器(profiler)(射束轮廓测量部分)的参考光束与用于激光退火的光源相同。然而，它不必具有用于晶化所需的相同激光能量密度，可以具有用于射束轮廓测量所需的光强度。
而且，“作为目标值的预定光强度和分布”指根据此后描述的实验测试的以下含义。它们是确认熔化非单晶半导体薄膜并进行横向晶体生长且使晶体膜不会断裂的激光束的强度(激光能量密度)和分布(射束轮廓)。
图3是通过形成无量纲的垂直和水平轴表示的温度、光强度和半导体(例如，硅)的结构之间的性质关系状态图。在此附图中，特性线JC表示其上非单晶半导体结晶(再次结晶)或未结晶的边界(晶化的边界)。特性线JL表示其上晶粒以横向方向生长或未生长的边界(横向生长的边界)。特性线JB表示其上生长的晶粒最终断裂或未断裂的边界。
在特性线JC之下的区域1中，非单晶半导体的物理状态没有改变。
在特性线JC和JL之间的区域2中，非单晶半导体被晶化(被再次晶化)但没有在横向方向上生长。
在特性线JL和JB之间的区域3中，晶粒在横向方向上稳定生长而不会断裂。
在特性线JB之上的区域4中，在晶粒生长中或之后的各种应力下，膜(晶体结构)断裂。
这里，“膜断裂”指广义上的构成膜的规则结构(膜结构)断裂。意味着因当晶粒在横向方向上生长时产生的应力导致叠层结构或盖层膜断裂、或在狭义上的因横向生长期间产生的应力导致晶化目标膜断裂。可选择地，它意味着由于在盖层膜或晶化目标膜中含有的氢而在晶粒或晶粒边界中产生缺陷例如裂痕。
关于用于解决上述问题的方法，已经说明了对射束轮廓和光强度给予的关注，观测单调增加和单调降低，光强度范围就必须不小于用于横向生长所需的JL，并且晶粒必须落入不大于JB的范围。此外，本发明者和其他人已经专心致力于形成晶粒的研究，每个晶粒与可以形成至少一个薄膜晶体管一样的大小。而且，他们已经发现，现有技术中辐照平行激光束(非均匀化的光束)不能精确地提高晶粒的大小。虽然这种情况的原因在严格意义上没有被揭示，但可以估计为以下原因。
图32是示出了具有由移相器204形成的光学系统和非单晶半导体层的衬底5的特性曲线图，以及通过移相器204传送平行激光束之后的光强度分布特性曲线图。在此光强度分布中，从第一反向峰值波291至下一个峰值波292的部分有助于横向生长。另一方面，关于在该波形外侧的高次振荡波293，因反向峰值波产生晶核并生成细小的晶粒。因此，整个膜就不能均匀且致密地结晶为大的晶粒尺寸。就是说，利用平行激光束，由于通过调制激光束的相位而获得的光束包含高次振荡波293，已经发现，就不能致密地形成大粒径的晶粒。
根据本发明的晶化方法，通过使均匀化的激光束穿过相位调制光学系统和作为绝缘膜的氧化硅膜进入非单晶半导体薄膜，就可以致密地校准并形成具有相对大粒径的晶粒。不含有高次振荡波293的激光束具有如图13B中所示的这种光强度分布BP并已经通过相位调制光学系统传送、辐照到非单晶半导体膜。可以致密地(均匀地)校准并形成具有相对大粒径的晶粒。当在透视图中三维地进行图示说明时，如图13B中所示的光强度分布BP具有如图13C中所示的V形凹陷的光强度分布。这种光强度分布BP具有多个倒三角形截面的峰值图形。这里，本发明者和其他人将这种形状称为具有倒三角形截面的峰值图形。当在中心处设置步幅部分204a并看上去具有如图13B所示的形状，具有图13A中的间距宽度PW，它的截面就具有倒三角形形状，因此将它称为具有倒三角形截面的峰值图形。图9B中所示的形状称为三角形形状，因为步幅部分31a的间隙W1和W2认为是一种形状，并且由截面提供的它的光强度分布BP具有三角形形状。当抓获一形状时，仅是眼睛观看位置不同，而没有实质上的差异。
在图13C中，在具有倒三角形截面的每个峰值图形的光强度分布中，幅度PH相等并且间距PW也相等。相位调制光学系统采用例如移相器。
而且，用激光束辐照的非单晶半导体膜的熔化部分的凝固起始温度对于作为目标的半导体膜具有固有的物理特性。因此，本发明者和其他人认为，横向生长的起始流量是对于半导体膜固有的数值，并且已经发现，它是与脉冲激光的影响无关的、基本上固定的值。关于结束横向生长，存在以下两种情况。当冷却速度高于生长速度且在生长方向上产生新的核时，并且当存在物理因数以致因瞬时加热导致盖层膜或半导体膜剥离时，结束横向生长。特别地，关于剥离的产生，已经发现，当不小于给定值的能量被辐照到半导体膜中时由于发生半导体膜的剥离，因此在反向峰值图形中存在平坦部分就明显地引起剥离。
此外，通过利用产生具有峰值图形的光束和适当的盖层膜的热存储效应，已经估算了依赖横向生长距离的衬底温度，该峰值图形具有通过相位调制光学系统获得的最佳倒三角形截面。结果，如图20中所示，已经发现，即使在室温下也能获得具有大粒径的硅晶粒。至于具有最佳倒三角形截面的峰值图形的光束，最佳化具有倒三角形截面的峰值图形的最大值和最小值，就足以增加最大值之间的距离。
本发明基于上述知识并具有以下结构。
根据本发明的晶化方法是一种通过将激光束辐照到非单晶半导体膜而使其结晶的一种晶化方法。此外，本发明的特征在于，在非单晶半导体膜的激光束入射表面上至少设置氧化硅膜，并且激光束是具有倒三角形截面的多个峰值图形的光强度分布的激光束。
根据本发明的晶化设备是一种通过将激光束辐照至非单晶半导体膜上而使其结晶的晶化设备。晶化设备包括：激光束光源；安装基座，其上安装具有非单晶半导体膜的衬底；均化器，其设置在安装基座和激光束光源之间并均匀化激光束的光强度；以及相位调制光学系统，其设置在均化器和安装基座之间，并且具有多个部分，该多个部分调制通过均化器所均匀化的激光束的相位。
根据本发明的处理衬底，包括：由绝缘体、半导体和金属中的至少一种材料形成的衬底；设置在该衬底上的第一绝缘层；设置在该第一绝缘层上的非晶半导体膜或非单晶半导体膜；以及第二绝缘层，其设置在该非晶半导体膜或非单晶半导体膜上并具有不小于150nm且不大于350nm的厚度。氧化硅膜作为该第一绝缘层和该第二绝缘层是优选的。
根据本发明的薄膜晶体管是一种显示器设备的像素和驱动该像素的一种薄膜晶体管。该薄膜晶体管包括：绝缘衬底；在具有大粒径的晶粒中形成的沟道区，通过形成氧化硅膜作为在衬底上形成的非单晶半导体膜上的盖层膜、使具有倒三角形截面的多个峰值图形的光强度分布的激光束从氧化硅膜进入、允许激光束穿过氧化硅膜到达非单晶半导体膜、熔化非单晶半导体膜、在非单晶半导体膜的激光束入射表面上设置的氧化硅膜中存储热量、延迟非单晶半导体膜的凝固速度并在横向方向上晶化非单晶半导体膜来形成该晶粒；源区和漏区，设置该源区和漏区以便夹住沟道区并且其中具有预定的掺杂杂质；栅绝缘膜，形成在沟道区上；栅电极，形成在栅绝缘膜上；覆盖栅电极的层间绝缘膜；源电极，其从层间绝缘膜侧与源区电连通；以及漏电极，其从层间绝缘膜侧与漏区电连通。
根据本发明的显示器设备是一种显示器设备，其具有彼此粘接并在期间具有预定缝隙且在缝隙中保留电光材料的一对衬底、在一个衬底上形成一相对电极并在另一个衬底上形成像素和驱动该像素的薄膜晶体管，该薄膜晶体管包括：绝缘衬底；在具有大粒径的晶粒中形成的沟道区，通过形成氧化硅膜作为在衬底上形成的非单晶半导体膜上的盖层膜、使具有倒三角形截面的多个峰值图形的光强度分布的激光束从氧化硅膜进入、允许激光束穿过氧化硅膜到达非单晶半导体膜、熔化非单晶半导体膜、在非单晶半导体膜的激光束入射表面上设置的氧化硅膜中存储热量、延迟非单晶半导体膜的凝固速度并在横向方向上晶化非单晶半导体膜来形成该晶粒；源区和漏区，设置该源区和漏区以便夹住沟道区并且其中具有预定的掺杂杂质；栅绝缘膜，形成在沟道区上；栅电极，形成在栅绝缘膜上；覆盖栅电极的层间绝缘膜；源电极，其从层间绝缘膜侧与源区电连通；以及漏电极，其从层间绝缘膜侧与漏区电连通。
在本说明书中，“移相器”是相位调制光学系统的一个实例并且指用于调制激光束的相位的空间强度调制光学元件。从相移掩膜中可以辨别出，该相移掩膜用于光刻工序中的曝光步骤。通过将进步的设计理念引入到移相器，就可以获得图14B中示意性示出的一维光强度分布BP。就是说，就能够获得具有不同强度倾角θ、间距宽度PW和偏置强度PH(根部区域中的强度)的光强度分布BP。移相器具有形成至例如作为透明材料的石英基底物质的一阶梯(step)。将移相器的阶梯形成为具有通过蚀刻等工序，可以将入射光束的相位调制为具有预定的相位角例如180°的一尺寸。
在本发明中，将它的光强度分布已优化的脉冲激光束进行辐照。就是说，将图13B、26A和29C中所示的脉冲激光束穿过氧化硅膜辐照到待晶化的半导体膜(非晶膜或多晶膜)，从脉冲激光束中消除了高次振荡波293的影响。如图17中所示，通过辐照脉冲激光束250，加热作为晶化目标的非单晶半导体膜例如非晶硅膜252，并且在脉冲的末端、它的温度(T_Si)高。在脉冲辐照期间，例如，在作为晶化目标的非晶硅膜252中产生的热转移到在早期过程中设置为盖层膜253的低温氧化硅膜(SiO₂膜)。在脉冲辐照结束之后(激光束辐照中断之后)，作为晶化目标的非晶硅膜252就开始被冷却，并且在盖层膜253中存储的热量就向作为晶化目标的非晶硅膜252中扩散。在此方式下，盖层膜253就主要用作为热容器，并且非晶硅膜252的高温液相状态就会维持比不采用盖层膜253时更长时间。
然而，盖层膜253部分返回从熔化的非晶硅膜252中转移的热量，但其中保持大量的热。因此，就从盖层膜253中将热量提供给熔化的非晶硅膜252，并且就可以延迟熔化的非晶硅膜252的凝固起始时间。结果，增加了晶粒的横向生长距离，并且致密地对准并形成具有大粒径的晶粒。上述从盖层膜253中提供的热量根据盖层膜253的膜厚度而明显地变化。就是说，根据本发明的方法，半导体膜的冷却速度由氧化硅膜来缓解，该氧化硅膜是具有热存储特性的盖层膜253，其与作为半导体膜的非晶硅膜接触。不用加热衬底，在室温下就能获得具有大粒径的单晶颗粒或靠近它们的晶粒。
希望根据热存储特性将盖层膜253的膜厚度设置为不小于30nm且不大于500nm，并且最好优选设置为不小于100nm且不大于370nm(参见图23和33)。当膜厚度小于30nm时，SiO₂盖层膜的热存储量就变得不够，并且就不能获得所需尺寸的大晶粒。另一方面，当膜厚度大于500nm时，就会在厚度方向上增加从晶化目标膜(非单晶半导体膜)向SiO₂盖层膜253的热转移量(热释放；热扩散量)，由此就不能成功地实现热存储的目的。
此外，相对于入射角通过作为均匀化光学系统(均化器)的第一复眼(fly-eye)透镜和第一聚光系统来均匀化激光束。而且，相对于光强度通过通过第二飞行眼透镜和第二聚光系统来均匀化它们。当将相对于入射角和光强度均匀化的激光束传送通过图13A中所示的移相器204时，如图13B中所示，光强度具有一种其中重复单调增加和单调减少的形状。这就成为了上述理想的光强度分布BP。图13B中所示的光强度分布BP具有一种倒三角形截面的形状，并且最大峰值和最小峰值凸出，不存在平坦部分。而且，这种光强度分布具有相等的幅度PH和相等的间距PW。就是说，由于进行相位调制的均匀化的激光束不包含高次振荡成分，当这种激光束辐照到待晶化的薄膜上时，理论上就能够在横向方向上生长具有根据移相器的阶梯4a和4a之间的缝隙宽度W的大小的大晶粒。此时，由于通过绝缘膜的热存储效应将热能提供到待晶化的薄膜，因此就能实现从熔化、凝固和晶化的系列工序和晶粒横向生长，并增加晶粒的尺寸。由于当在图13B的光强度分布BP中的峰值部分的角度θ变平缓时，容易产生非单晶半导体膜的膜断裂，因此希望以一种方式设置光强度分布BP以致峰值部分的角度θ尽可能成为尖锐的角。
如上所述，根据本发明，就可以设计出具有在衬底的入射表面上优化的光强度和分布的激光束，并且可形成所需的结晶结构，同时抑制其它任何不希望的结构区域例如膜断裂的发生。就是说，在横向方向上晶粒稳定地生长，而不会断裂，并成为具有适合于薄膜晶体管的均匀尺寸的大晶粒结构(图3中的区域3)。
此外，根据本发明，在光强度分布中，应当确定光强度为最小值，该光强度等于或高于具有晶化该非单晶半导体膜结构的光强度。此外，应当确定光强度为最大值，该光强度小于具有结晶的晶粒在横向方向上生长的光强度。结果，非单晶半导体膜的结构就可以都晶化为多晶结构(图3中的区域2)。
而且，根据本发明，在光强度分布中，应当确定在小于横向生长的晶粒中产生断裂的光强度的光强度范围中的光强度为最大值，该光强度等于或高于非单晶半导体膜结构被晶化用的光强度。而且，应当确定比非单晶半导体膜结构被晶化用的光强度更低的光强度为最小值。结果，多晶结构与非多晶结构例如非晶结构之比就可以自由地改变(图3中的区域1和2)。
此外，根据本发明，通过室温处理就可以形成具有大粒径的硅晶粒，并且可以满足对于低温处理的要求。因此，就能够采用比现有技术中更薄的玻璃衬底或塑料衬底作为衬底。
此外，根据本发明，由于可以在整个膜上对准并形成具有大粒径的精确晶粒，因此就能够制造出用于大屏幕LCD的TFT，其具有更高的工作速度和更好的阈值电压一致性。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的晶化设备的结构框图；
图2A是示出射束轮廓A的图；
图2B是示意性示出通过具有射束轮廓A的激光束辐照而形成的晶体结构的平面图；
图2C是示出射束轮廓B的图；
图2D是示意性示出通过具有射束轮廓B的激光束辐照而形成的晶体结构的平面图；
图3是示出温度、光强度和结构之间的性质关系的状态图(state diagram)；
图4A和4B是说明当制造根据本发明的半导体元件时的步骤的剖面图；
图5A是示出射束轮廓C的图；
图5B是示意性示出通过具有射束轮廓C的激光束辐照而形成的晶体结构的平面图；
图6是示出衬底温度、激光能量密度和结构之间的性质关系的状态图；
图7A是示出有关晶化的模拟结果和实际结果两者的射束轮廓特性图；
图7B示出表示激光辐照区域中的非晶硅和多晶硅的SEM图像；
图8A是示出横向生长、膜断裂和激光能量密度之间的关系特性图；
图8B示出横向生长过程中的硅薄膜的SEM图像；
图9A、9B和9C是示意性示出部分移相器的剖面图、通过采用移相器而形成的射束轮廓特性图和表示通过具有一种轮廓的激光束辐照在横向方向上生长的结晶结构的重复图形的SEM图像；
图10A-10F是分别示出射束轮廓的改进图；
图11是显示器设备的示意性透视图；
图12A-12D是说明当制造半导体元件时的步骤的剖面图；
图13A、13B和13C是示出移相器和衬底的附图、示出透射通过移相器的均匀化激光束的光强度分布图和示出激光束的光强度分布的三维图；
图14A是示意性示出衬底上的激光束的相位已调制的光强度分布图；
图14B示出表示通过脉冲激光束的单点辐照结晶的样本的扫描型电子显微镜(SEM)图像；
图15是示出根据本发明的晶化设备的外形结构方框图；
图16是示出根据本发明的设备的光学系统的内部透视方框图；
图17是说明与本发明相关的叠层结构的剖面图；
图18示出表示本发明效果的SEM图像；
图19是示出本发明效果的特性图；
图20是示出本发明效果的特性图；
图21是示出本发明效果的特性图；
图22是说明图15的另一个实施例的结构方框图；
图23是示出本发明效果的特性图；
图24是示出本发明效果的特性图；
图25是示出本发明效果的特性图；
图26A是光强度分布图；
图26B示出在干蚀刻(secco-etching)之后的样本的SEM图像；
图26C示出在干蚀刻之后的样本的SEM图像；
图27是说明本发明效果的类型图；
图28是示出本发明效果的特性图；
图29A示出其中致密地排列大晶粒的样本的SEM图像；
图29B示出放大方式下图29A中的部分样本的SEM图像；
图29C是辐照到图29B中描述的样本的激光束的光强度分布图；
图30是示出根据本发明实施例的薄膜晶体管的剖面图；
图31是示出传统设备的外形结构方框图；
图32A是示出移相器和衬底的视图；
图32B是示出在平行脉冲激光束透射通过移相器之后的光强度分布图；
图33是示出非晶硅膜的膜厚度(nm)和晶粒横向生长的距离(μm)之间的关系特性图；以及
图34是示出非晶硅膜的膜厚度(nm)和盖层膜的膜厚度(nm)之间的关系特性图。
具体实施方式
现在，将在此后参照附图来说明根据本发明的实施例。
图1是示出实现本发明的激光晶化设备的示意图。在激光晶化设备中，在含有均匀化光学系统的激光束光源1的光轴a的起始端设置衰减器(attenuator)2和射束轮廓调制部分3，并且在通过反射镜4的尾部设置半导体衬底5。此外，设置射束轮廓测量部分6，以便与半导体衬底5对准，并且将射束轮廓测量部分6和半导体衬底5固定到移动台7。
而且，设置作为控制器的控制个人计算机8，射束轮廓测量部分6连接在个人计算机8的输入侧，并且衰减器2的控制系统、射束轮廓调制部分3和移动台7分别连接到个人计算机8的输出侧。
衰减器2通过调节感应器的多层膜涂覆的滤光片的角度来光学地调制激光束的强度(功率)，并且包括未示出的传感器、电动机和控制系统。
射束轮廓调制部分3调制激光束的空间强度分布并由移相器31和图像形成光学系统243构成。移相器31产生反向峰值图形，其中通过交替地使穿过掩膜图形的激光束的相位移动例如0和π，光强度在相移部分变为最小值。采用这种反向峰值图形以控制首先在半导体衬底5上凝固的区域(晶核)的位置并允许晶体距离该位置在横向方向上向外围生长(横向生长)。因此，就在特定位置处提供了具有大粒径的晶粒。此时，根据移相器的形状、从半导体衬底5的距离、激光束的角分布和其它来设置所需的射束轮廓。移相器31包括未示出并用于替代掩膜图形或在光轴方向上的定位的传感器、激励器和控制系统。
本发明者和其他人在先申请的日本专利申请No.2003-110861的说明书等中详细公开了均匀化光学系统，并且该均匀化光学系统由均化器构成，该均化器包括一对小透镜和例如多组聚光镜的光学元件。在该均匀化光学系统的焦点位置保持有半导体衬底5，并辐照激光束。根据相位调制移相器31的图形和此时的散焦量来控制反向峰值图形的形状和宽度。在邻近型晶化设备(图15)的情况下，反向峰值图形的宽度与移相器31和半导体衬底5之间的间距d的1/2次幂成比例地放大。
为了同时测量激光束的强度和射束轮廓，射束轮廓测量部分6在荧光屏61上接收紫外准分子激光束以便转换为可见光束，并且在CCD 63上接收在反射镜62上反射的可见光束。可以通过采用半导体功率计等来单独测量激光束的强度。而且，可以在CCD 63上直接接收紫外准分子激光束。
在与半导体衬底5相同水平的平面上或在平行于半导体衬底5的平面上设置荧光屏61。当在具有一阶梯的平行平面上设置荧光屏61时，荧光屏61通过升高或降低移动台7就处于与半导体衬底5的高度相同高度的位置，并进行测量。结果，在与实际光束辐照情况的相同条件下，就可以测量衬底表面上的激光束的射束轮廓。
将在CCD 63上接收的图像输入到个人计算机8并划分为任意的扫描线，并根据图像信号的强度分布来测量激光束的强度和射束轮廓。
然后，将测量的强度与预设目标强度进行比较，计算出操作量，并调节衰减器2的角度，同时以使通过将操作信号输出到衰减器2使测量的强度变成目标强度的方式进行反馈。
此外，将测量的射束轮廓与预设目标射束轮廓进行比较，并计算出操作量。将操作信号输出到射束轮廓调制部分3和移动台7，调节移相器31的位置和移动台7的高度，同时以使测量的射束轮廓成为目标射束轮廓的方式进行反馈。
可以在三维方向即前后方向、左右方向和上下方向上移动移动台7，并且移动台7包括用于在面内(in-plane)方向或光轴方向上定位且未说明的传感器、衰减器和控制系统。通过该移动台7，移动并在激光束辐照位置处定位射束轮廓测量部分6，并且以此方式设计射束轮廓测量部分6，以致在衬底上辐照激光束之前就可以预先测量激光束的强度和射束轮廓。
依据本发明的激光晶化设备具有上述结构。在激光晶化步骤中，为了在射束轮廓测量部分6的荧光屏61上定位含有均匀化光学系统的激光束光源1的光轴a的端部，首先在面内方向上移动移动台7，并且辐照激光束，以测量它的强度和射束轮廓。
然后，以此方式分别定位衰减器2的角度、移相器31的位置和移动台7的高度，以致测量的强度和射束轮廓与预设目标匹配。随后，在面内方向上移动移动台7，然后在半导体衬底5的预定晶体区域定位光轴a的端部，在邻近型晶化设备(图15)的情况下，也设置间距d，并且辐照具有预设强度和射束轮廓的激光束。
重复上述测量、定位和光束辐照，同时就在相同衬底上分别形成具有各种尺寸的晶体区域。代替交替地在此方式下进行测量、定位和光束辐照，就能够首先进行所有的测量，计算定位所需的操作量，然后依照每个晶体区域同时进行定位和光束辐照。
首先，如图4A中所示，作为衬底的制备，选择绝缘衬底(例如，康宁1737玻璃、熔融石英、蓝宝石、塑料、聚酰胺等等)。在它的表面上形成第一薄膜102(例如，300nm膜厚的SiO₂膜，通过等离子体气相淀积方法、利用四乙氧基原硅酸酯(TEOS)和O₂、或SiN/SiO₂叠层膜氧化铝、云母等等形成)。在第一薄膜102的表面上形成非晶半导体薄膜103(例如，通过等离子体化学气相淀积方法获得的200nm膜厚的非晶硅、非晶SiGe等)作为第二薄膜。在第二薄膜的表面上通过等离子体气相淀积方法、利用四乙氧基原硅酸酯(TEOS)和O₂进一步形成例如200nm膜厚的SiO₂膜1070作为盖层膜。然后，进行薄膜的脱氢处理(例如，在氮气环境、600℃下热处理1小时)。相对于该晶化衬底检测以下各点，并进行调整以获得优选的射束轮廓。
(i)用使用的晶化衬底来检测具有产生横向生长的激光束强度JL。
(ii)用使用的晶化衬底来检测具有产生晶粒断裂的激光束强度JB。
(iii)关于激光束强度分布，为了获得向最大激光束强度单调增加的激光束强度分布，将应当是晶化起始点的位置处的激光束强度J确定为JB＞J≥JL。
将最大激光束强度设置为小于JB。实施满足此的晶化就能够使晶化不产生晶粒断裂区域和微晶区域。
当通过利用上述衬底进行具体实验时，就获得了如图6中所示的这种结果。图6是示出了温度、光强度和硅薄膜的结构之间的性质关系的检测结果状态图，其水平轴表示衬底温度(℃)并且垂直轴表示激光能量密度(相对值)。从该图中很明显，在例如500℃下，横向生长起始强度JL为作为相对值的20-30％(对应于转换的强度，例如，0.4-0.6J/cm²)，并且膜断裂产生强度JB为作为相对值的20-60％(对应于转换的强度，例如，0.4-1.2J/cm²)。因此，揭示了在上述条件(iii)之下在网格(net)区域中设置激光束强度(JB和JL为网格区域中的激光束强度)并在每一衬底温度下辐照激光束就能满足。
然后，通过使用图1中所示的晶化设备，进行激光晶化。作为激光束光源1，采用脉冲振荡高能激光器例如KrF准分子激光器。
从激光束光源1发射的激光束通过衰减器2和可调制功率和射束轮廓的射束轮廓调制部分3进行传输。结果，调制了功率和射束轮廓。此后，激光束到达移动台7。在移动台7上设置半导体衬底5。通过将激光束辐照到半导体衬底5上来进行激光晶化。在移动台7上设置射束轮廓测量部分6，射束轮廓测量部分6可以测量射束轮廓并且还可以用作为功率计。该设备用测量个人计算机8工作。为了获得优选的射束轮廓，设置移动台7的高度Z和可调制功率和射束轮廓的光学系统的参数(例如，衰减器2的角度、移相器31的位置、在邻近型光学系统情况下缝隙，等等)。
图9B中所示的射束轮廓BP是具有可形成大粒径的晶体区域的射束轮廓。通过采用用测量个人计算机8工作的系统，设置该射束轮廓BP的条件。图9C示出了获得结构的扫描型电子显微镜图像。在此情况下，发现，设置具有间距d＝60μm的平均激光束强度J为0.8J/cm²、JL＝0.5J/cm²以及JB＝0.9J/cm²作为制造TFT所需的射束轮廓。
构型通过这些方法制造的晶体区域并进行以下处理。
如图4B中所示，在栅绝缘膜107上设置栅电极110(例如，高浓度掺磷的多晶硅、W、TiW、WSi₂、MoSi₂)。采用栅电极110作为掩膜进行离子注入，分别形成源区103b和漏区103c。例如，至于离子注入，在N型TFT的情况下，就注入大约10¹⁵cm^-2的p+，在p型TFT的情况下，就注入大约10¹⁵cm^-2的BF²⁺。此后，在电炉中用氮气作为载运气体，在500℃-600℃下进行大约1小时退火，并激活杂质。而且，通过快速热退火(RTA)，在700℃下可实现加热仅1分钟。通过上述方法晶化的沟道区103a位于源区103b和漏区103c之间。
最后，形成层间绝缘膜111，形成接触孔，并通过金属CVD膜形成方法在接触孔中填充金属，由此形成源电极113和漏电极114。例如，采用Al/TiN作为源电极113和漏电极114的材料。
图7A是示出了由通过均化器获得的多个光束形成的射束轮廓的特性图，其水平轴表示距激光光轴a的距离(μm)并且垂直轴表示标准激光强度指数(无单位)。垂直轴上的标准强度指数是可作为晶化基准的一个参数，并且该指数收敛为平均结果的1.0。应当注意，强度指数为1.0的部分对应于图7A中的激光能量密度0.2J/cm²，并且通过辐照系数0.95的这种激光能量密度就可以获得多重晶化的0.19J/cm²的临界光强度。
在该图中，特性线E(细线)表示模拟结果，并且特性线F(粗线)表示实际测量结果。因光束的有限数量，除高空间频率成分之外，获得了实际测量结果和模拟结果的优良匹配。
图7B示出了在低平均光强度条件之下通过晶化获得的膜表面几何形状(morphology)。在衬底温度℃下，样本具有300nm厚度的SiO₂盖层膜/具有200nm厚度的α-Si膜/具有1000nm厚度的SiO₂膜的硅结构。产生多重结晶的位置(下部分)处于局部高光强度下，并且具有局部低光强度的位置(黑色部分)为非晶化区域。黑色部分良好地与低于图7A中特性线E上的0.19J/cm²表示的线(强度系数：0.95)的位置相匹配。产生多重结晶的临界光强度为大约0.19J/cm²，并且该值与在均匀化光束辐照情况下的数值是相同的。
在图8A中，水平轴表示距激光光轴a的距离(μm)，并且垂直轴表示标准激光强度指数(无单位)。该附图是示出了关于晶体硅是否在横向方向上生长或是否因过量的收缩应力造成横向生长的晶体膜断裂与激光能量密度的关系特性图。附图中的特性线P是横向生长的临界线。在该线之上的区域中，硅晶体在横向方向上生长，并且在该线之下的区域中，硅晶体就不在横向方向上生长。特性线Q是膜断裂的临界线。由于在该线之上的区域中过量的收缩应力，因此硅晶体膜断裂，并且在该线之下的区域中，硅晶体膜不会断裂。通过将特性线P和Q两者的指数乘以一系数获得的激光能量密度转换值分别为大约0.5J/cm²和大约0.9J/cm²。特性线R对应于激光束强度的射束轮廓。当特性线R位于夹在特性线P和Q之间的区域中时，就能够稳定地进行横向生长，而不会产生膜断裂。此外，还揭示了能够实现单点生长的距离为大约7微米。
图8B示出了横向生长过程中的硅薄膜的SEM图像。在距激光光轴a的各侧上的10μm或更小的范围内，可以观察到横向生长的硅晶体。然而，激光强度的不规则性在距激光光轴a的各侧上的10μm或更大的区域内较大，并可以观察到产生膜断裂的结构(附图中的白色圆块)。此外，由于激光能量密度强度的不足，因此激光光轴a附近的区域就维持在非晶状态下，而不会被晶化，并且该区域不会进行横向方向上的生长。
通过使用上述实验结果，获得了可形成具有高填充系数(filling factor)的大晶粒(平均直径5微米)的光学系统。图9B和9C分别示出了获得的光强度分布和膜表面几何形状。图9B中的垂直轴表示标准激光强度(无单位)，其作为晶化基准的参数。当被平均时，标准激光强度收敛在1.0上。在图9B中的射束轮廓BP中，光强度的最大值确定为1.4，同时光强度的最小值确定为0.7，并且在均等的5μm间距处设置其中单调重复增加和减少的图形。
图9C示出了SEM图像(20μm×20μm)，该SEM图像示出了在激光束辐照区域(J＝0.76J/cm²)中部分放大的重复图形。已经观察到硅晶粒稳定横向生长至距激光光轴a的各侧5μm的距离。基于此，用高填充系数就在整个光束辐照区域(0.24mm×0.24mm)上均匀地形成了具有大约5μm粒径的大晶粒。
根据本发明可采用图5A中所示的正弦波和图9B中所示的三角波形波以及用于射束轮廓BP的各种波形。例如，能够采用如图10A中所示的山形(chevron)连续波、图10B中所示的波谷(trough)连续波和图10C中所示的锯齿波形。它可以是图10D中所示的混合三角波形，其中具有相对大幅度的大三角波形和具有相对小幅度的小三角形波形交替重复。它可以是其中沿图10D中所示的山形包络曲线重叠锯齿三角波形的波形。它可以是具有图10F中所示的两个峰值的双峰波形。如上所述，在根据本发明的射束轮廓BP中，能够采用各种改进的波形以及其具有单调增加波形部分和单调降低波形部分的V形连续波或U形连续波的波形。
应当注意，图5A中所述的正弦波形和、图9B中所述的三角波形、图10A中所述的山形连续波形、图10B中所述的波谷连续波形和其它波形对应于相同周期下具有相同幅度单调增加且单调降低的辐照光束。此外，图5A中所述的正弦波形、图9B中所述的三角波形、图10A中所述的山形连续波形和图10B中所述的波谷连续波形是对称波形。
图9B中所示的三角波形和光强度分布的波形具有线性形状和三角形形状，在光强度分布的波形中图10C、10D、10E和10F中所示的波形单调增加和单调减少。
为了获得具有大粒径的结晶颗粒，从单调增加波形到单调减少波形的切换部分具有一带有V形和U形连续波形两者的梯度的波形是非常重要的。如果在切换部分存在平坦的波形，那么晶粒就会断裂或者在此部分中横向方向就停止晶化。而且，为了获得具有大粒径的结晶颗粒，从单调增加波形到单调降低波形的切换部分具有一带有V形和U形连续波形两者的梯度的波形就非常重要。如果在切换部分存在平坦的波形，那么就会产生多晶粒区域或者在此部分中横向方向的晶化就不充分。
当从单调增加波形到单调降低波形的切换部分或从单调降低波形到单调增加波形的切换部分具有一个梯度时，在切换部分中就不存在平坦部分。
通过高分辨率光束整形器提取准分子激光束的特性。结果，就能够设计出样本表面上的光强度分布。而且，通过估算各种临界光强度并综合估算结果，就已经设计出了允许大晶粒生长且具有高填充系数的光学系统。这种效果已经通过实验得到了证实。
图11示出了利用薄膜晶体管的有源矩阵型显示器设备的一个实例。通过图12A-12D中所示的步骤来制造薄膜晶体管112。如图所示，该显示器设备120具有面板结构，该面板结构包括一对绝缘衬底121和122以及其间夹持的电光物质123。作为电光物质123，广泛地采用液晶材料。在下绝缘衬底121上集成并形成像素阵列部分124和驱动电路部分。驱动电路部分分隔为垂直驱动电路125和水平驱动电路126。
在绝缘衬底121的外围部分的上端形成用于外部连接的端子部分127。端子部分127通过布线128与垂直驱动电路125和水平驱动电路126连接。将行栅极布线129和列信号布线130形成至像素阵列部分124。在两条布线的每个交叉处形成像素电极131和驱动该电极的薄膜晶体管112。通过采用上述方法(参见图4)，制造该薄膜晶体管112。薄膜晶体管112的栅电极110与相应的栅极布线129连接。漏区103c通过漏电极113与相应的像素电极131连接，并且源区103b通过源电极114与相应的信号布线130连接。栅极布线129与垂直驱动电路125连接，另一方面，信号布线130与水平驱动电路126连接。
根据本发明，制造驱动待切换的像素电极131的薄膜晶体管112和在垂直驱动电路125和水平驱动电路126中包括的薄膜晶体管，并具有比现有技术更高的迁移率。因此，不仅能够集成并形成驱动电路而且能够集成并形成具有较高性能的处理电路。
现在，下面将描述根据本发明的任何其它优选实施例。在图13-31中，相同参考数字表示相同部分，由此省略了对它们的详细解释。如果重复，则省略详细解释。如图15中所示，在晶化设备210中，为了进行晶化，通过在激光束的光通路中依次设置的光学系统202a和202b、均化器203、图像形成光学系统243和移相器204，将从KrF准分子激光器光源1a中发射的脉冲激光束250辐照到安装基板206上的处理衬底240。KrF准分子激光器装置1a的电源电路以这种方式与个人计算机8的输出部分连接，以使可以提供个人计算机8的输出信号。个人计算机8控制激光束250的发射时间、脉冲宽度、脉冲间隔、输出幅度等。
例如，在该设备中的光学系统通过在同一光轴上排列凹透镜202a、凸透镜202b、均化器203、移相器204等被构成。该晶化设备210是一种邻近型光学系统。
现在，将参照图16具体地描述光学系统。图16是邻近型光学系统的方框图。它包括作为脉冲激光束光源1a的KrF准分子激光器光源1a，其发射具有例如248nm波长的准分子脉冲激光束。应当注意，可以采用任何其它光源例如XeCl准分子脉冲激光束光源或YAG激光束光源作为该光束光源1a。从光束光源1a发射的激光束通过由光束扩展器202形成的光学系统202a和202b而被扩展，然后进入第一复眼透镜(fly-eye lens)233。
在第一复眼透镜233的后焦面(rear focal plane)上形成多个光束光源，并且来自多个光束光源的光通量通过第一聚光系统234以叠加方式照射第二复眼透镜235的入射平面。结果，在第二复眼透镜233的后焦面上形成比第一复眼透镜233的后焦面上更多的光束光源。来自在第二复眼透镜235的后焦面上形成的光束光源的光通量通过第二聚光系统236以叠加方式照射相位调制光学系统204(移相器)。
这里，第一复眼透镜233和第一聚光系统234构成第一均化器，并且第一均化器完成有关移相器204上的光强度的均匀化。
此外，第二复眼透镜235和第二聚光系统236构成第二均化器，并且第二均化器完成有关移相器204上的每个面内位置处的光强度(激光能量密度)的均匀化。以此方式，照射系统就用具有基本上均匀的光强度分布(光强度分布)的光束来辐照移相器204。
均化器203包含校平(level)光束辐照区域内的脉冲激光束的功能。使穿过均化器203的脉冲激光束250的光强度均匀化。均化器203是使脉冲激光束250的光强度均匀化的光学系统。
通过移相器204来调制均匀化的脉冲激光束250的相位。例如，移相器204是一种具有彼此平行对准的多个线性阶梯204a的面内交互耦合型移相器，并且它还是一种紧靠安装基板206上的处理衬底而设置的邻近型晶化设备。移相器204由透明材料形成，且在脉冲激光束250中、在阶梯204a处产生相位差。移相器204通过利用相位差在脉冲激光束250中产生衍射，并调制脉冲激光束250的光强度。结果，移相器204就在光束辐照部分中形成光强度分布BP，该光强度分布BP具有如图13B中所示的重复单调增加和单调降低的重复图形。应当注意，在本实施例中，移相器204的阶梯204a和204a之间的间隔W被设置为100μm。在邻近型晶化设备中，当用于增加粒径的盖层膜253的膜厚度不小于30nm并不大于500nm时，就输出优异的热存储效果。因此，在邻近型晶化方法中，盖层膜253的膜厚度不小于30nm并不大于500nm。
例如，在处理衬底的上表面上设置盖层膜253。将从该盖层膜253到移相器204的相互距离设置为预定间距，例如该预定间距不大于500μm。安装基板206和除了安装基板206的外围设备都不包含衬底加热机构(例如，内置加热器)。
将安装基板206安装在XYZθ台7上，可在水平平面上的X轴和Y轴方向上移动、可在垂直于水平平面的Z轴方向上移动并且可围绕Z轴旋转θ角。XYZθ台7的电源电路与个人计算机8的输出部分连接。对于XYZθ台7，设置X轴驱动机构、Y轴驱动机构、Z轴轴驱动机构和θ旋转驱动机构，并且分别在X、Y、Z和θ方向上控制XYZθ台7。应当注意，虽然上述实例对应于基于邻近型光学系统的晶化方法，但是它可以是基于投影型光学系统的晶化方法。在投影型晶化方法中，盖层膜253的优选膜厚度不小于80nm且不大于400nm。
现在，将给出基于图15中所述的邻近型晶化设备210的晶化方法的说明。从脉冲激光束光源1a中发射具有例如30纳秒脉冲宽度和例如1J/cm²光强度的脉冲激光束。通过凹透镜202a和凸透镜202b散射并会聚脉冲激光束，由此使其进入均化器203。均化器203使进入的脉冲激光束250的入射角和光强度均匀化。
均化器203使均匀化的脉冲激光束250进入移相器204，并且移相器204发射具有倒三角形截面的反向峰值图形的光强度分布的脉冲激光束。将具有倒三角形截面的反向峰值图形的最大值和最小值设计为由非单晶半导体膜的类型或膜厚度决定的值。具有倒三角形截面的反向峰值图形的光强度分布的均匀化的脉冲激光束进入非晶硅膜252，只熔化并结晶它的光束辐照部分。由于非晶硅膜252较薄，因此在它的光束辐照部分处的厚度方向上它就立即熔化，在能量密度变为最小的反向峰值点的熔化部分处温度下降开始，该反向峰值点被确定为起始点，这里影响最小，且凝固(晶化)开始。该凝固位置根据具有倒三角形截面的反向峰值图形的梯度而依次移动。随着该凝固点的移动，就在横向方向上生长晶粒(垂直于非晶硅膜252厚度的方向)。至于晶粒的这种横向生长，由于通过盖层膜253的热存储效应、长时间维持温度下降梯度，因此易于晶化。因此，增大了最终凝固之后的晶粒尺寸，并且在光束辐照部分中实现了宽范围的单晶化。
在非晶硅膜252的预定区域中进行这种晶化步骤。通过相对地移动台7和由脉冲激光束光源1a获得的辐照位置，就可以实施用于影响整个表面上的晶化步骤的方法。
为了结晶非晶硅膜252，通过采用图15中所示的邻近型晶化设备210，在处理衬底240的一个表面上辐照相位调制的脉冲激光束。通过形成氧化硅膜作为图17中所示的盖层膜253，获得了处理衬底240。就是说，处理衬底240是通过在由绝缘体或半导体形成的基底物质如硅衬底248上依次层叠绝缘层例如下保护膜251、非晶硅膜252和盖层膜253而获得的一种结构。下保护膜251由第一绝缘层如具有例如1000nm膜厚度的SiO₂膜组成。非晶硅膜252是作为晶化目标的一种膜，并且由具有例如200nm膜厚度的非晶硅组成。盖层膜253是第二绝缘层，该第二绝缘层是具有例如300nm膜厚度的绝缘SiO₂膜。
现在，将具体地描述用于制造这种处理衬底240的方法，该处理衬底240具有将进行晶化处理的盖层膜253。
采用硅衬底248作为由绝缘体或半导体形成的基底物质，并且通过热氧化方法，形成由具有1000nm膜厚度的SiO₂膜形成的下保护膜251。
在下保护膜251上，形成非晶半导体膜或非单晶半导体例如非晶硅膜252(例如通过等离子体化学气相淀积方法形成的具有200nm膜厚度的非晶硅膜)。
在非晶硅膜252上，形成第二绝缘层例如SiO₂膜(例如，利用SiH₄和N₂O、通过等离子体化学气相淀积方法形成的具有300nm膜厚度的SiO₂膜)作为盖层膜253。然后，相对于在硅衬底248上形成的薄膜251至253，执行脱氢处理。优选在500-600℃的温度范围内进行该处理，例如，在570℃、在氮气气氛下进行两小时的热处理。
图18是示出了在室温条件之下通过根据本发明的该实施例的方法结晶硅薄膜的SEM图像照片。从SEM图像的观察中显见，证实了在沿激光光轴(图像中心)的各侧上4至5μm的范围内产生具有由横向生长而增加了晶粒尺寸的硅晶体。而且，证实了横向生长的硅晶体显著地在横向方向上延伸晶核位于作为起始点的中心处，且它们紧凑对准。
在激光束的一个射束(shot)辐照并将激光束的下一个射束辐照到衬底上之后，通过只按照预定节距而平行地移动衬底，就获得了由横向生长而增加了晶粒尺寸的硅晶体，通过重复相同的操作，就依次结晶了非晶硅膜的元件形成区域。
图19-21示出了当在图15中所述的邻近型晶化设备210中设置移相器204并将来自准分子激光器的脉冲光束的一个射束在室温下辐照到处理衬底240时的晶化特性。在图19中，水平轴表示作为盖层膜253的氧化硅膜(SiO₂)的膜厚度(nm)，并且垂直轴表示结晶晶粒的横向生长距离(μm)。图19是示出相对于各种类型的样本、以许多方法改变作为盖层膜253的氧化硅膜的膜厚度时检查与横向生长距离相关的盖层膜的结果的特性图。应当注意，获得了一平均值作为横向生长距离。这里，可接受的标准是与晶体的精确位置和晶体管的沟道部分相关、横向生长距离不小于4.0μm。
如图19中所示，在本实施例中，当在邻近型晶化设备中的盖层膜253的膜厚度不小于30nm且不大于大约340nm时，在室温下，就获得了不小于4.0μm的最大水平下的横向生长距离。而且，即使盖层膜253的膜厚度为30nm和80nm，也能获得大约3μm和2μm的最大水平下的横向生长距离。而且，即使盖层膜253的膜厚度为390nm，也能获得大约1.5μm的最大水平下的横向生长距离。另一方面，当盖层膜253的膜厚度为480nm时，横向生长距离小于1.5μm。当盖层膜253的膜厚度不小于100μm且不大于340μm时，就获得了具有不小于5μm的横向生长距离的大粒径的结晶区域。盖层膜253的这种膜厚度是一种膜厚度，当加热用通过移相器204的激光束辐照的非单晶半导体膜、并且减缓由加热而熔化的非单晶半导体膜的温度下降速度时，就可以获得具有大粒径的晶化。为了减缓温度下降速度，选择盖层膜253(第二绝缘层)的适合厚度，并适当地选择用于晶化的激光束的光能量和光强度分布BP。
在图20中，水平轴表示处理衬底240的温度(℃)，并且垂直轴表示结晶晶粒的横向生长距离(μm)。在图15中所示的邻近型晶化设备210中，设置移相器204。该附图是一个特性图，其示出了当以许多方式改变处理衬底240的温度时检查与横向生长距离相关的衬底温度的结果，该处理衬底240具有由作为盖层膜253的300nm膜厚度的SiO₂膜形成的盖层膜253。从图中显见，在具有由作为盖层膜253的足够厚度的SiO₂形成的盖层膜253的处理衬底240中，衬底温度基本上不具有与横向生长距离相关的从室温到几百摄氏度的衬底温度。揭示了即使在室温下、也能获得具有足够长度的横向生长距离。尽管不清楚，但可以认为，这种现象的发生是由于盖层膜的热存储效应。
在图21中，水平轴表示光强度指数(相对量)，并且垂直轴表示结晶晶粒的横向生长距离(μm)。该附图是一个特性图，其示出了利用在图15中所示的邻近型晶化设备中设置的移相器204、相对于各种类型的样本、以许多方式改变激光束的光强度时检查与横向生长距离相关的光强度指数的结果。从图中显见，已经发现，在光强度超过作为相对量的0.9的点附近，突变地增加了横向生长距离。特别地，通过将来自准分子激光器的脉冲光束的一个射束辐照到处理衬底，在室温下就获得了不小于4μm的大横向生长距离。
在本说明书中，“光强度指数”指相对于一基准的光强度值，该基准是一能量光束辐照强度，即使在晶粒生长期间或晶粒生长之后的各种应力下，用此能量光束辐照强度都不会使薄膜断裂而仅仅维持膜的表面几何形状特征(晶体结构)。基于上面所述，已经证实，通过使用根据本发明的方法，在室温下就允许具有高填充系数的大晶粒(平均晶粒尺寸：不小于4μm)在横向方向上生长。
尽管在上述实施例中根据一个实例已经给出了说明，其中在邻近型设备中设置移相器204，但是可以在图22中所示的投影型设备中设置移相器204。就是说，这种投影型晶化设备210A是其中在移相器204和处理衬底240之间设置图像形成光学系统243的一种设备。
现在，将给出有关一实施例的说明，该实施例利用投影型晶化设备210A、通过相位调制准分子激光束退火(下文中将缩写为PMELA)来结晶硅膜。如图17中所示，关于处理衬底240，首先，在硅(Si)衬底240上，通过热氧化方法形成由具有1000nm膜厚度的SiO₂形成的下保护膜251。此后，获得了一种叠层结构，其中通过PECVD(等离子体增强CVD)方法依次叠加具有200nm膜厚度的非晶硅膜252和作为盖层膜253的SiO₂膜253。此外，通过基于PECVD(等离子体增强CVD)的连续膜形成方法，形成下保护膜251、非晶硅膜252和盖层膜253。在PMELA之前，在退火炉中、在550℃下、氮气气氛中进行2小时的脱氢处理。
在PMELA中，将具有例如30纳秒脉冲宽度的KrF准分子激光束的单射束辐照到处理衬底240。在干蚀刻(Secco-etching)之后，通过采用扫描型电子显微镜(SEM)，进行结晶硅膜的微结构分析。图14B示出了扫描型电子显微镜(SEM)图像的一个实例，该图像表示通过利用光强度分布BP、辐照脉冲激光束的单一射束同时以许多方式改变节距宽度PW而结晶的样本。当以许多方式改变节距宽度PW并检测它的极限值时，节距宽度PW的下限值由它的光学分辨率限制，并且下限值为0.001nm(1μm)。而且，至于上限值，虽然当检测大约800μm、900μm和1000μm时确认了横向生长，但是，假如为1005μm，则不能确认横向生长。因此，周期性重复单调增加和单调减少的光强度分布的一个周期的距离就必须落入0.001mm-1mm的范围。
图23和24示出了当通过采用投影型晶化设备210A进行处理衬底240的晶化步骤时的晶化特性。
图23是示出了当在图22中所示的投影型晶化设备210A中设置移相器204作为相位调制光学系统时，检查横向生长距离和盖层膜253的膜厚度之间关系的结果特性图。就是说，在图23中，水平轴表示盖层膜253的厚度(nm)，并且垂直轴表示晶粒的横向生长距离(μm)。图23示出了盖层膜253的每个膜厚度下的最大横向生长距离。而且，附图中的曲线连接各自盖层膜厚度处的横向生长距离。从图23中很显见，当盖层膜253的厚度增加时，横向生长距离也增加，并且当盖层膜253的膜厚度落入130-400nm的范围之内时，横向生长距离就超过4μm。特别地，当盖层膜253的厚度为250nm时，横向生长距离就达到最大水平下的大约7μm。如图24中所示，在本实施例中，当将来自准分子激光器的脉冲光束在室温下辐照到处理衬底240时，就获得了不小于6μm的横向生长距离。
应当注意，图23示出了当通过作为基准数据的一个黑圆点(black circle)未设置盖层膜253时的一个样本例如非单晶半导体膜的横向生长距离。无盖层膜253的非单晶半导体膜的横向生长距离比具有盖层膜253的非单晶半导体膜的横向生长距离更短。
在图24中，水平轴表示光强度指数(相对值)，并且垂直轴表示具有200nm膜厚度的非晶硅膜252的样本中的横向生长距离(μm)。该附图是示出了当在图22中所示的投影型设备中设置移相器204时、晶粒的横向生长距离和光强度之间关系的检查结果的一个特性图。图中很明显地证实了：通过投影方法，当光强度超过作为相对量的0.9时，横向生长距离就突变地增加。
然后，在具有图17中所示的盖层膜253的处理衬底240中，进行晶化步骤，同时改变非晶硅膜252的膜厚度，并观察具有最大横向生长距离的关系。
图33是示出了非晶硅膜252的膜厚度和最大横向生长距离之间的关系特性图。倘若未设置盖层膜253，如图19和23中所示，当非晶硅膜252的膜厚度为200nm时，最大横向生长距离就为2.5μm。然而，如图32中所示，在具有图17中所述的盖层膜253的处理衬底240中，即使非晶硅膜252的膜厚度为例如30nm一样薄，也可以获得不小于3μm的横向生长的晶粒。从图19、23和33中所示的结果中已发现，对于最大横向生长距离的长度，设置盖层膜253是有效的。
此外，图33示出了当增加非晶硅膜252的膜厚度时，最大横向生长距离变长，并且当非晶硅膜252的膜厚度变成大约200nm时，最大横向生长距离的扩展就达到饱和点。
现在，将给出关于获得图33中所述的最大横向生长距离的盖层膜厚度的条件的说明。图34是示出了非晶硅膜252的膜厚度d_α-Si和获得最大横向生长距离的盖层膜253的膜厚度d_cap之间关系的特性图。结果，已经发现，当非晶硅膜252的膜厚度d_α-Si增加时，所需的盖层膜253的膜厚度d_cap就增大。图34示出了当非晶硅膜252变厚时，硅层252的热容量就增加，并且为了存储增加的热量，就需要厚的盖层膜253。图34是示出了非晶硅膜252的膜厚度d_α-Si和盖层膜253的膜厚度d_cap之间的关系特性图。当选择盖层膜253的膜厚度落入一个范围时，该范围由根据每个非晶硅膜厚度的直线d_cap＝0.568d_α-Si+60和直线d_cap＝0.568d_α-Si+160包围，在每个非晶硅膜252的膜厚度d_α-Si处，就能够使横向生长距离最大。在上述等式中，d_cap是第二绝缘层(盖层膜253)的膜厚度(nm)，并且d_α-Si是非晶硅膜或非单晶半导体膜(非晶硅膜252)的膜厚度(nm)。
现在，将给出关于进行经验测试的结果的说明，该经验测试相对于有关图25-28的盖层膜253的热存储效应。通过采用具有200nm硅膜厚度的一个样本来进行经验测试。图25是具有水平轴和垂直轴的特性图，并示出了当光强度分布的节距宽度PW具有固定值(28μm)时盖层膜253的热存储效应，其水平轴表示平均光强度(mJ/cm²)且垂直轴表示晶粒的横向生长距离(μm)。在该附图中，白方块表示当盖层膜253的厚度设置为130nm时获得的结果。白三角表示当盖层膜253的膜厚度设置为220nm时获得的结果。黑圆点表示当盖层膜253的厚度设置为300nm时获得的结果。黑三角表示当盖层膜253的厚度设置为390nm时获得的结果。
在具有130nm(白方块)厚度和220nm(白三角)厚度的薄盖层膜253中，晶粒的横向生长距离随光强度的增加而逐渐增加，直到发生膜断裂。此时，横向生长距离的最大值为大约6μm。结果，假如盖层膜253具有300nm的较大厚度(黑圆点)，那么横向生长距离就首先增加到大约2μm，并且然后突然增加到超过6μm。另一方面，假如非常厚的盖层膜253具有390nm的厚度(黑三角)，那么横向生长距离就不会超过2μm。
图26B和26C示出了硅膜的SEM图像，通过辐照具有图26A中概略性所述的光强度分布的激光束来完成晶化步骤并进行干蚀刻从而获得该SEM图像。图26B示出了当用设置为300nm的盖层膜253的厚度来进行晶化步骤时一硅膜的SEM图像。图26B的箭头表示横向生长的方向。作为显微镜观察的结果，横向生长距离的最大值超过了7μm，并且平均值为大约6μm。
图26C示出了显示通过对具有厚盖层膜253的样本进行干蚀刻而获得的晶化构造的SEM图像。在该附图中，由烧结晶体区域将横向生长区域分为几个部分。这意味着能够相对长时间地存在熔化的非晶硅膜252中的温度梯度。然而，在固-液界面的前表面上温度突然降低并且变得比产生晶核的临界温度更低。在该固-液界面的前表面附近产生自然晶核，并且通过相互碰撞停止横向生长晶粒。同时，一些新的核就作为新的横向生长的产生源。当熔化的非晶硅膜252中的温度梯度缓和时，这种情况就通常产生，并且最后甚至产生小晶粒。当盖层膜253变得更厚时，这种效果就变得更加突出。假如是非常厚的盖层膜253，由于硅层的大部分热容量被用于加热盖层膜253，那么就减少了其中存在硅层的液相的周期。
而且，证实了存在临界强度，用此临界强度，晶体突然改变了在具有220nm和300nm厚度的盖层膜253之间的横向生长特性。
图27是说明这种突然变化的一种类型图。在图27中，水平轴表示衬底上的每层膜的位置，并且垂直轴表示温度(无单位)。该附图是示出了在处理衬底的膜厚度方向上温度分布的一维温度分布图，其中在SiO₂下保护膜251上形成作为晶化目标的非晶硅膜252并且在该非晶硅膜252上形成SiO₂盖层膜253。这里，简化并假设在脉冲辐照期间，作为晶化目标的非晶硅膜252的温度T_Si随时间增加。在用脉冲进行辐照的激光束的脉冲尾部，SiO₂盖层膜253和下保护膜251具有相同的温度分布形状，但是，如该附图中示意性所示，该分布与非晶硅膜252的温度T_Si成正比。在强辐照(实线A)的情况下，非晶硅膜252的温度T_Si被增大。当通过非晶硅膜252的温度T_Si来加热盖层膜253时，因此盖层膜253的温度就超过非晶硅膜252的熔点TM，相对于厚度方向的广泛区域内，非晶硅膜252是晶化目标膜。然后，盖层膜253用作为热电容器。
另一方面，在弱辐照(虚线B)的情况下，非晶硅膜252的温度T_Si没有高到足以达到加热盖层膜253。只能将在非晶硅层252的附近的盖层膜253的一部分加热到超过熔点TM。盖层膜253的另一部分维持在低温(不大于熔点TM)，并且这种低温区域(冷却区域)作为散热器。
作为利用图22中所示的这种投影型晶化设备的实验结果，优选延伸横向生长距离的盖层膜253的厚度落入100-370nm的范围。
在图28中，水平轴表示平均光强度(mJ/cm²)，并且垂直轴表示晶粒的横向生长距离(μm)。该附图是示出了当盖层膜253的厚度被确定为固定值(300nm)、以许多方式改变光强度分布的节距宽度PW时，盖层膜253的热存储效应的特性图。在该附图中，白圆点表示当节距宽度PW设置为20μm时的结果，黑圆点表示当节距宽度PW设置为28μm时的结果，并且白三角表示当节距宽度设置为36μm时的结果。
该附图中很显见，当节距宽度PW为20μm时，横向生长距离固定地随光强度而增加，并且当光强度为100mJ/cm²时到达最大水平下的大约4μm。另一方面，当节距宽度PW为36μm时，横向生长距离就维持在一个短距离。此外，当节距宽度PW为中间值的28μm时，通过允许突变生长的光强度使横向生长距离达到6μm。
图29A示出了其中致密地排列大晶粒的一样本的SEM图像，图29B示出了其中部分放大了的图29A的样本的SEM图像，以及图29C示出了辐照到图29B的样本的激光束的光强度分布。
从该经验实验中已经证实，期望的射束轮廓具有三角形形状，其中峰值强度与波谷强度之比为大约2。通过移相器来设置以产生这种射束轮廓。如图29A中所示，其粒径为大约5μm的大晶粒致密地分布在样本的整个表面上。产生与其中以此方式致密地分布并排列大晶粒的配对物相似的构造，具有优良的再现性。
应当注意，本发明不限于前述的实施例，并且在不脱离本发明的范围之内，可以在实施阶段修改并补充组成元件。而且，通过前述实施例公开的多个组成元件的适当组合，就可以构成各种发明。例如，可以从这些实施例中展现的所有组成元件中省略一些组成元件。此外，可以适当地组合不同实施例中展现的组成元件。基于此，证实了通过采用本发明，可以允许大晶粒(平均晶粒尺寸：4.0-6微米)在横向方向上生长具有高填充系数。
现在，将参照图30给出有关根据本发明的薄膜晶体管(TFT)结构及其制造方法的说明。通过利用具有半导体膜的衬底来制造薄膜晶体管，其中通过上述晶化方法来形成大晶粒。
作为由绝缘体或半导体形成的衬底，可以采用绝缘衬底例如玻璃衬底249、石英衬底或塑料衬底以及其表面上形成有绝缘涂层的金属衬底、硅衬底、陶瓷衬底等等。期望地采用低碱性的玻璃衬底，典型为例如由Corning制造的a#1737衬底来作为玻璃衬底249。下保护膜251是一种绝缘膜，其包含氧化硅(SiO₂)或氮化硅作为主要成分，例如具有300nm膜厚度的氧化硅膜，并且优选紧密接触玻璃衬底249来形成下保护膜251。下保护膜251是一种薄膜，该薄膜用于防止杂质从玻璃衬底扩散进入非单晶半导体膜。
在下保护膜251上形成非晶半导体膜或非单晶半导体膜例如非晶硅膜252(例如，通过等离子体化学气相淀积形成的具有200nm膜厚度的非晶硅膜)。
在非晶硅膜252上形成盖层膜253，由此形成处理衬底240。对于该处理衬底240，通过采用激光束250来进行晶化步骤，使通过图16中所示的光学系统均匀化的脉冲激光束进入实现相位调制的移相器204，从而获得该激光束250。
通过蚀刻去除结晶的非单晶半导体膜上的盖层膜253。然后，在非晶硅膜252的结晶区域处，进行定位，并按照以下方法来制造半导体电路例如图30中所示的薄膜晶体管。首先，为了限定出有源区的形状，通过采用光刻来完成构图，并形成具有预定图形的硅岛，该预定图形实质上对应于平面图中的沟道区252a、源区252b和漏区252c。
随后，在沟道区252a、源区252b和漏区252c上形成栅绝缘膜254。对于栅绝缘膜254，通过采用包含氧化硅(SiO₂)或氮氧化硅(SiON)的材料来形成具有30-120nm厚度的氧化硅膜。至于栅绝缘膜254的形成，通过例如等离子体CVD方法、采用SiH₄和N₂O作为原始材料、形成具有50nm厚度的氧化硅膜，并将其确定为栅绝缘膜254。
然后，在栅绝缘膜254上形成用于形成栅电极255的导电层。采用包含元素例如Ta、Ti、W、Mo、Al等作为主要成分的材料，并通过采用公知的膜形成方法例如溅射方法或气相淀积方法来形成导电层。例如，采用Al-Ti合金。通过采用光刻，构图栅电极金属层，且形成具有预定图形的栅电极255。
然后，通过用栅电极255作为掩膜注入杂质，形成源区252b和漏区252c。例如，在形成P沟道型TFT的情况下，就通过采用离子注入方法，注入P型杂质例如硼离子。该区域中的硼浓度确定为例如1.5×10²⁰至3×10²¹。在此方式下，就形成了构成P沟道型TFT的源区252b和漏区252c的高浓度p型杂质区。不用说，此时通过注入n型杂质，就可以形成n沟道型TFT。
然后，进行热处理步骤，以激活通过离子注入方法注入的杂质元素。通过采用一种方法例如炉退火方法、激光退火方法、快速热退火方法等来完成该步骤。在本实施例中，通过采用炉退火方法来完成该活化步骤。优选在氮气环境中、在300-650℃的温度范围内进行热处理，并且在本实施例中在500℃下进行4小时热处理。
然后，在栅绝缘膜254和栅电极255上形成层间绝缘膜256。最好通过采用氮化硅膜、氧化硅膜和氮氧化硅膜或由这些膜的组合获得的叠层膜来形成层间绝缘膜256。此外，设置它的膜厚度为200-600nm就可以满足需要，并且在本实施例中，将它设置为400nm。
然后，在层间绝缘膜256中的预定位置处开出接触孔。而且，在接触孔中并在层间绝缘膜256的表面上形成导电层，并将它构图为预定形状。在本实施例中，源和漏电极257和258采用具有三层结构的叠层膜，通过溅射方法来连续形成具有100nm厚度的Ti膜、300nm厚度的含有Ti的铝膜和具有150nm厚度的Ti膜，从而获得该三层结构。以此方式，获得了图30中所示的薄膜晶体管。
一个实例具有图11中所示的这种结构，其中在上述实施例中获得的薄膜晶体管实际应用于有源矩阵型液晶显示器设备。在此情况下，通过图30中说明的步骤来制造薄膜晶体管112。
如上所述，根据前述实施例，即使在低温下例如室温或它的附近温度范围(例如，5-50℃)下，在晶化处理期间就能够完成具有大粒径的结晶。由于将脉冲调制的光束辐照到非单晶半导体膜，因此就减少了高次振荡分量。
应当注意，本发明不限于前述实施例，并且在不脱离本发明的范围之内，可以在实施阶段通过修改组成元件来实施本发明。此外，可以通过适当组合前述实施例中公开的多个组成元件，从而构成各种发明。例如，可以从实施例中公开的所有组成元件中省略一些组成元件。此外，可以适当组合不同实施例中的组成元件。
本发明还可以应用于有机电致显示器设备或电子电路器件以及液晶显示器设备。