JP2003100652A - 線状パルスレーザー光照射装置及び照射方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザーアニールを行うための、均質な線状
レーザービームを照射するに際し、エネルギーロスの小
さい光学系とし、被照射物に十分なエネルギーを与え、
またレーザー光源を長寿命として使用できるレーザーア
ニール装置およびレーザーアニール方法を提供する。 【解決手段】 パルスレーザー発振器と、前記パルスレ
ーザー発振器から照射されたレーザー光を拡大するため
のビームエキスパンダと、前記拡大されたレーザー光を
分割拡大する複眼状のフライアイレンズと、前記分割拡
大されたレーザー光を線状に集光する第１のシリンドリ
カルレンズと、前記線状に集光されたレーザー光の均質
性を向上させる第２のシリンドリカルレンズと、前記均
質性が向上した線状レーザー光を走査する半導体膜上に
集光する第３のシリンドリカルレンズと、を有すること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本明細書で開示する発明は、
例えば半導体材料に対してレーザー光を照射しアニール
を行う技術に関する。また、広くレーザー光の照射によ
って、被照射物の各種処理や変質を行う技術に関する。

【０００２】また、本明細書で開示する発明は、線状の
レーザービームを用いて、半導体材料をアニールする、
レーザーアニール装置およびレーザーアニール方法に関
する。

【０００３】また、本明細書で開示する発明は、レーザ
ーアニールによる、アモルファス（非晶質）のシリコン
（珪素）膜を結晶性シリコン膜とする工程や、結晶性シ
リコン膜の結晶性をさらに高める工程や、結晶性シリコ
ン膜に導電性を付与する等の目的で該膜に不純物を打ち
込んだ場合に生じる格子欠陥の修復工程等に特に有効で
ある。

【０００４】

【従来の技術】近年、半導体素子プロセスの低温化に関
して盛んに研究が進められている。その大きな理由は、
安価で加工性に富んだガラス等の絶縁基板上に半導体素
子を形成する必要が生じたからである。さらにいえばア
クティブマトリクス型の液晶表示装置を作製する際に、
ガラス基板上に数百×数百以上の薄膜トランジスタを形
成する必要が生じたからである。その他にも素子の微小
化や素子の多層化に伴う要請もある。

【０００５】半導体装置の作製プロセスにおいては、半
導体材料に含まれる非晶質成分もしくは非晶質半導体材
料を結晶化させることや、もともと結晶性であったもの
の、不純物注入のためのイオンを照射したために結晶性
が低下した半導体材料の結晶性を回復することや、結晶
性であるのだが、より結晶性を向上させることが必要と
されることがある。従来、このような目的のためには熱
的なアニールが用いられていた。半導体材料として珪素
を用いる場合には、６００℃から１１００℃の温度で
０．１〜４８時間、もしくはそれ以上の時間のアニール
をおこなうことによって、非晶質の結晶化、結晶性の回
復、結晶性の向上等がなされてきた。

【０００６】このような、熱アニールは、一般に温度が
高いほど処理時間は短くても良かったが、５００℃以下
の温度ではほとんど効果はなかった。したがって、プロ
セスの低温化の観点からは、従来、熱アニールによって
なされていた工程を他の手段によって置き換えることが
必要とされる。

【０００７】特に基板としてガラス基板を利用する場
合、熱アニールを温度を７００℃以下とすることが求め
られる。しかも、その加熱時間を極力短くすることが求
められる。これは、長時間の加熱によってガラス基板が
変形するからである。液晶表示装置においては、数μｍ
の隙間を有した一対のガラス基板間に液晶が保持される
ので、基板の変形は液晶表示装置の表示に大きな影響を
与えることとなる。

【０００８】熱アニールに変わるプロセスとしては、レ
ーザー光の照射によって各種アニールを行う技術が知ら
れている。レーザー光は熱アニールに匹敵する高いエネ
ルギーを必要とされる箇所にのみ限定して与えることが
でき、基板全体を高い温度にさらす必要がないという特
徴を有している。

【０００９】レーザー光の照射に関しては、大きく分け
て２つの方法が提案されている。

【００１０】第１の方法はアルゴンイオン・レーザー等
の連続発振レーザーを用いたものであり、スポット状の
ビームを半導体材料に照射する方法である。これはビー
ム内部でのエネルギー分布の差、およびビームの移動に
よって、半導体材料が溶融した後、緩やかに凝固するこ
とによって半導体材料を結晶化させる方法である。

【００１１】第２の方法はエキシマーレーザーのごとき
パルス発振レーザーを用いて、大エネルギーレーザーパ
ルスを半導体材料に照射し、半導体材料を瞬間的に溶融
させ、凝固させることによって半導体材料を結晶化させ
る方法である。

【００１２】第１の方法の問題点は処理に時間がかかる
ことであった。これは連続発振レーザーの最大エネルギ
ーが限られたものであるため、ビームスポットのサイズ
がせいぜいｍｍ² 単位となるためである。これに対し、
第２の方法ではレーザーの最大エネルギーは非常に大き
く、従って、数ｃｍ² 以上の大きなスポットを用いて、
より量産性を上げることができる。

【００１３】しかしながら、通常用いられる正方形もし
くは長方形の形状のビームでは、１枚の大きな面積の基
板を処理するのに、ビームを上下左右に移動させる必要
があり、量産性の面で依然として改善する余地があっ
た。

【００１４】この点に関しては、ビームを線状に変形
し、この線状ビームを、線方向に概略直角方向に走査す
ることによって、大きく改善することができる。なお、
ここでいう走査とは、線状レーザーを線幅方向（線方向
に対して概略直角方向）にすこしずつずらして重ねなが
ら照射することを言う。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】改善すべき問題として
残されていたことは、レーザー照射効果の均一性であ
る。この均一性を高めるために以下のような工夫がなさ
れている。１つの工夫として、スリットを介すことによ
り、ビームのエネルギー分布の形状を矩形にできるだけ
近づけて、線状ビーム内のばらつきを小さくする方法が
ある。

【００１６】図４に、レーザービームのエネルギー分布
を示す。図４（ａ）は、エネルギー分布の形状を矩形に
した例である（矩形とは、ここでは、図４（ｂ）にて定
義される長さを用いて、Ｌ２、Ｌ３≦０. ２Ｌ１）。

【００１７】上記技術において、さらに不均一性を緩和
するには、強いパルスレーザー光の照射（以下本照射と
呼ぶ）の前に、それよりも弱いパルスレーザー光の予備
的な照射（以下予備照射と呼ぶ）をおこなうと均一性が
向上することが報告されている。

【００１８】この効果は非常に高く、半導体デバイスの
特性を著しく向上させることができる。これは、照射エ
ネルギーが異なる２段階のレーザー光を照射すること
で、半導体膜の結晶化を段階的に行うことができ、急激
な相変化に従う、結晶性に不均一性や結晶粒界の生成、
さらには応力の集中といった問題を緩和できるからであ
る。また、この段階的な照射は、さらにその回数を増や
し多段階とすることで、その効果をより高めることがで
きる。これら２つの工夫によって、レーザー照射効果の
均一性をかなり向上させることができる。

【００１９】しかしながら、上述のような２段階照射法
を用いると、レーザー処理時間が倍になるので、スルー
プットが低下してしまう。また、２段階照射法を行うた
めの設備も、１段階のみ照射を行う場合に比較して複雑
になり、コストアップにつながる。また、レーザー照射
効果の均一性も、かなり向上させることができたといっ
てもまだ十分なものとは言えなかった。

【００２０】そこで本発明は、パルスレーザー光を光源
とする線状レーザービームにより、半導体被膜に対する
結晶化を行うに際し、均一性の高いレーザー照射効果を
得ることを第１の課題とする。特に、本照射と予備照射
の２段階に分けることなく、１段階の照射において、均
一性の高いレーザー照射効果を得ることを課題とする。

【００２１】また、正方形もしくは長方形の形状のビー
ムを線状に、しかも均質に変形させるには、工夫された
光学系が必要となる。図１４に、従来のレーザーアニー
ル装置の光学系の例を示す。図１４に示す光学系は、エ
キシマレーザビームを発生するエキシマレーザ発生手段
（Ａ’) と、当該エキシマレーザビームを拡大するビー
ムエキスパンダ（Ｂ’) 、（Ｃ’）と、ビームエキスパ
ンダ（Ｂ’) 、（Ｃ’）によって拡大されたビームを分
割拡大する、縦拡大用のフライアイレンズ（Ｄ’）と、
横拡大用のフライアイレンズ（Ｄ２’）と、フライアイ
レンズ（Ｄ’）、（Ｄ２’）により分割拡大されたレー
ザービームを線状に集光する第１のシリンドリカルレン
ズ（Ｅ’) と、該線状化されたレーザービームの線方向
の均質性を良くする第２のシリンドリカルレンズ
（Ｆ’）と、被照射物、あるいは被照射物を有する基板
等を載置して図示矢印方向（Ｊ’）に移動するステージ
（Ｉ’）とから構成される。なお、図中の折り返しミラ
ー（Ｇ’）、および、シリンドリカルレンズ（Ｈ’）は
レーザービームの照射をステージ（Ｉ’）上の被照射物
に対して行うためのものである。図１４において、ビー
ムエキスパンダ（Ｂ’）、（Ｃ’）を設けない構成もあ
る。

【００２２】このような光学系により、均質な線状レー
ザービームを得ることができる。しかしながら従来は、
レーザービームを分割拡大するフライアイレンズとし
て、縦拡大用（Ｄ’）と、横拡大用（Ｄ２’）の、２枚
を用いるため、フライアイレンズ全体の透過率が下が
り、レーザービームのエネルギー効率が低下する。その
結果、レーザーアニールにおいて、被照射物に与えるエ
ネルギー量が低下し、アニールが不十分となることがあ
る。これを防ぐためには、レーザー光源の出力を増加さ
せなければないらないが、そうすると、レーザー光源の
負担が増加して、装置としての寿命が短くなってしま
う。

【００２３】そこで本発明は、レーザーアニール、特
に、ガラス等の絶縁基板上に形成されたアモルファスシ
リコン膜の結晶化のためのレーザーアニールや、ガラス
等の絶縁基板上の熱結晶化された結晶性シリコン膜の結
晶性向上等に対するレーザーアニールを行うための、均
質な線状レーザービームを照射するに際し、エネルギー
ロスの小さい光学系とし、被照射物に十分なエネルギー
を与え、またレーザー光源を長寿命として使用できるレ
ーザーアニール装置およびレーザーアニール方法を提供
することを第２の課題とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本明細書で開示する発明
では、線状レーザービームのエネルギー分布を工夫する
ことによって、第１の課題を解決する。本明細書で開示
する発明では、前述した線状レーザービームの焦点にお
けるエネルギー（密度）分布を、その狭い幅方向（レー
ザービームの走査方向）において疑似台形状にする。そ
して、このようなエネルギー分布（プロファイル）を持
ったレーザービームを半導体材料の被膜上で走査し、結
晶化等の処理を行う。

【００２５】以下に本明細書で開示する主要な発明につ
いて説明する。本明細書で開示する主要な発明の一つ
は、パルスレーザーを光源とした線状レーザービーム
を、半導体被膜よりなる被照射面に照射するに際し、前
記線状レーザービームの焦点における線幅方向のエネル
ギー分布は、最大エネルギーを１として、エネルギーが
０. ９５であるところのビーム幅をＬ１とし、エネルギ
ーが０. ７０であるところのビーム幅を、Ｌ１＋Ｌ２
（線幅の一方）＋Ｌ３（線幅の他方）としたとき、不等
式０. ５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を
満たすものであることを特徴とするレーザーアニール方
法である。

【００２６】他の発明の構成は、パルスレーザーを光源
とした線状レーザービームを、該線状レーザービームと
半導体被膜よりなる被照射面とを前記線状レーザービー
ムの線幅方向に相対的に移動させながら、複数回照射す
るに際し、前記線状レーザービームの焦点における線幅
方向のエネルギー分布は、最大エネルギーを１として、
エネルギーが０. ９５であるところのビーム幅をＬ１と
し、エネルギーが０. ７０であるところのビーム幅を、
Ｌ１＋Ｌ２（線幅の一方）＋Ｌ３（線幅の他方）とした
とき、不等式０. ５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ
３≦Ｌ１を満たすものであることを特徴とするレーザー
アニール方法である。

【００２７】図５に、疑似台形のエネルギー分布を有す
る線状レーザービームでレーザー光を照射する様子を示
す。図５に示すように、図４の（ｂ）に示すようなエネ
ルギー密度（ビームの線幅は、レーザービームのエネル
ギー最高値の半値幅）のビームプロファイルを有するパ
ルスレーザー光を少しづつ移動させながら、そのビーム
を一部重なるようにして照射した場合、特定の一箇所の
線状の領域において、複数回のパルスが照射され、この
複数回のパルスの照射に際して、段階的に照射エネルギ
ー密度の大きさが大きくなったパルスが最初の段階で照
射され、そして段階的に照射エネルギー密度が減少した
パルスが照射されることになる。

【００２８】すなわち、線状に加工されたパルスレーザ
ーを１方向にずらしながら照射する工程で、被照射物の
ある一点に着目したとき、該パルスレーザーがその一点
に複数回照射されるようレーザービームを重ねて打つこ
とを特徴とする。

【００２９】この場合において、被照射面のある一点に
着目したとき、該パルスレーザーをその一点に３〜１０
０回、好ましくは、１０〜４０回照射する。

【００３０】上記した発明は、第１の課題を解決するも
のであり、線状にビーム加工されたパルスレーザー光
を、その線幅方向に走査して照射するに際して、その線
状のレーザービームの線幅方向において疑似台形状のエ
ネルギー分布を有するものを用いるものである。

【００３１】疑似台形状のエネルギー分布とは、線状の
レーザービームの線幅方向において、最大エネルギーを
１として、エネルギーが０. ９５であるところのビーム
幅をＬ１、エネルギーが０. ７０であるところのビーム
幅を、Ｌ１＋Ｌ２（線幅の一方）＋Ｌ３（線幅の他方）
としたとき、不等式０. ５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０. ５Ｌ
１≦Ｌ３≦Ｌ１を共に満たすものである。

【００３２】このようなエネルギー分布を有する線状レ
ーザービームを、走査しながら照射することによって、
被照射領域のある一点において、まず台形のエネルギー
分布の裾のエネルギー密度の弱い領域が照射され、引き
続いてレーザービームが走査されることによって、徐々
に強いエネルギー密度で照射が行われ、さらに台形分布
の上辺（最大値）のエネルギー密度でレーザー光が照射
され、最後に徐々にエネルギー密度が弱くなる照射が行
われる。このようして、ある一点の被照射領域に対し
て、台形のエネルギー分布に対応して、エネルギー密度
が連続的に変化するレーザー光の照射が行われる。

【００３３】したがって、前述した予備照射と本照射と
を行なう２段階レーザー照射を行う方法で、予備照射の
弱いレーザーエネルギー領域の役割を、上述したエネル
ギー分布（台形状分布）のエネルギー勾配の有る部分
（裾の部分）が実質的に果たすので、段階的に照射エネ
ルギーを変化させた場合と同様の効果を得ることができ
る。

【００３４】すなわち、上記のような状態でレーザー光
が照射されることで、ある一点の被照射領域に注目した
場合において、最初弱いレーザー光が照射され、徐々に
強いレーザー光が照射され、さらに徐々にエネルギー密
度が弱いレーザー光が照射され、照射が終了したと同等
な状況を、エネルギー密度の異なる複数のレーザー光を
用いた２段階照射を行わなくても、実現することができ
る。

【００３５】このようなレーザー光の照射を行うと、被
照射領域に供給されるエネルギーが急激に変化すること
がないので、被照射物における急激な相変化等を防ぐこ
とができる。

【００３６】したがって、例えば、非晶質半導体をレー
ザー光の照射によって結晶化させる場合、急激な相変化
を従わないので、表面が荒れたり、内部に応力が蓄積し
たりすることがなく、均一な結晶性を与えることができ
る。即ち、アニール効果を均一なものとすることができ
る。

【００３７】さらに、台形状のエネルギー分布を有する
レーザー光が照射されることで、レーザー光の焦点深度
が、従来のレーザービームと比較して、広がり、レーザ
ー加工がより容易となる。

【００３８】従来の、エネルギー分布が矩形状のレーザ
ービームの焦点深度が、±２００μｍ程度であったのに
対し、エネルギー分布が、０. ５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、
０. ５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を満たす台形状のレーザービー
ムにおいては、±約４００μｍ程度が得られる。

【００３９】図７にレーザービームのエネルギー分布と
焦点深度（絶対値）の関係を概念的に示す。図７におい
て、斜線領域ｂが、本発明のレーザービームエネルギー
分布０. ５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０. ５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１
を示したものである。図７の横軸は、Ｌ２／Ｌ１（また
はＬ３／Ｌ１）であり、この値が０に近づく程、レーザ
ービームのエネルギー分布形状は、矩形に近づく。逆
に、大きくなるほど、台形〜三角形となる。

【００４０】レーザービームの焦点深度が広がると、多
少のうねり、凸凹を持った被照射面に対しても均質にレ
ーザー加工を行うことができるようになる。例えば、ガ
ラス基板上に、０．２μｍの酸化珪素膜上に、０．１μ
ｍの非晶質珪素膜を成膜して、６００℃で熱結晶化させ
た後のガラス基板は、３００×３００ｍｍ² 程度の大き
さになると、±数十〜数百μｍ程度のうねりを有し易
い。

【００４１】したがって、図７のａ領域、すなわち、
０．５Ｌ１＞Ｌ２，Ｌ３である従来の矩形状のレーザー
ビームは、焦点深度が±２００μｍ程度であり、前記の
如き珪素膜に対して、結晶化の不均一を招き、その結
果、結晶化された珪素膜は、その移動度が基板面内にお
いて、１０％以上のバラツキが生じやすい。一方、図７
のｂ領域、すなわち、Ｌ２，Ｌ３＞Ｌ１として、焦点深
度があまり大きくなると、焦点調整が困難となり、被照
射面のエネルギー密度が不十分となる。その結果、珪素
膜は結晶化が不十分となり、所望の移動度が得られな
い。

【００４２】上記構成により得られるレーザービーム
は、±約４００μｍ程度以内の焦点深度を有し、基板や
被膜のうねりに対し約２〜８倍程度のマージンが得ら
れ、前記の如き凹凸を有する珪素膜に対するレーザー加
工は、十分なエネルギー密度にて、極めて均質に行われ
うる。

【００４３】したがって、数百μｍのうねりを有する基
板上の珪素膜に対しても、移動度のバラツキが１０％以
内の、均一なものとすることができる。かつ、十分な移
動度を有せしめることができる。このように、本発明
の、台形状のエネルギー分布を有するレーザー光は、半
導体被膜等の、うねり、凹凸を有する被照射面に対し、
極めて均質なレーザー照射を行うことができる。

【００４４】これらの効果は、特に基板の面積が大きく
なるほどに、有効となる。上記発明では、±４００μm
程度の焦点深度が得られるため、被照射物が、±４００
μｍ程度までの凹凸に対しては、均一な結晶化が可能で
ある。

【００４５】上記焦点深度は、珪素被膜に対するレーザ
ー結晶化の際、該被膜の移動度のバラツキが±１０％以
内に収まる範囲に、結晶性を均質化させる。ただし、こ
れらの数値は、パルスレーザーのショットごとのバラツ
キが３σで±３％以内に収まっている物を使用した場合
のものである。前記バラツキが３σで±３％以上のもの
を使用する場合は、焦点深度が減少する。また、該バラ
ツキの３σで±１０％以上のものは、半導体の結晶化に
は不向きであった。

【００４６】また、上記第２の課題を解決するために、
本明細書に開示する他の発明は以下の構成を有する。図
９において、パルスーレーザ発生手段（Ｋ）と、前記パ
ルスレーザ発生手段から照射されたレーザビームを拡大
するためのビームエキスパンダ（Ｌ）、（Ｍ）と、前記
拡大されたレーザビームを分割拡大する複眼状のフライ
アイレンズ（Ｎ）と、前記分割拡大されたレーザービー
ムを線状に集光する第１のシリンドリカルレンズ（Ｏ）
と、前記線状に集光されたレーザービームの線方向の均
質性を良くする第２のシリンドリカルレンズ（Ｐ）と、
被照射物を、前記線状に集光されたレーザービームの線
方向とほぼ直角の方向に相対的に移動させるステージ
（Ｓ）と、を有することを特徴とするレーザーアニール
装置である。

【００４７】本発明の他の構成は、図１０において、パ
ルスレーザー発生手段（ｋ）と、前記パルスレーザー発
生手段から照射されたレーザービームを分割拡大する複
眼状のフライアイレンズと（ｌ）、前記分割拡大された
レーザービームを線状に集光する第１のシリンドリカル
レンズ（ｍ）と、前記線状に集光されたレーザービーム
の線方向の均質性を良くする第２のシリンドリカルレン
ズ（ｎ）と、被照射物を、前記線状に集光されたレーザ
ービームの線方向とほぼ直角の方向に相対的に移動させ
るステージ（ｑ）とを有することを特徴とするレーザー
アニール装置である。

【００４８】上記構成において、パルスレーザー発生手
段として、エキシマレーザー発生手段を用いることは好
ましい。

【００４９】また、上記構成において、第１のシリンド
リカルレンズの後方に、前記線状レーザビームの縁部を
除去するスリットを設けることは好ましい。

【００５０】また上記構成において、複眼状のフライア
イレンズは、平面形状が多角形の凸レンズを、複数個規
則的に敷きつめて、平面状に構成されたものが好まし
い。個々の凸レンズは、平面形状が、正方形、長方形、
六角形等が好ましい。

【００５１】上記第２の課題を解決する他の構成は、パ
ルスレーザービームを複眼状のフライアイレンズにより
分割拡大し、前記分割拡大されたレーザービームを線状
に集光して、走査しながら被照射物に照射することを特
徴とするレーザーアニール方法である。上記各構成にお
いて、パルスレーザービームは、エキシマレーザービー
ムを用いることは好ましい。

【００５２】上記レーザーアニール装置または方法は、
エキシマレーザー発生手段から発生されたレーザービー
ム、または該ビームがビームエキスパンダーによって拡
大整形されたレーザービームを、一枚の複眼状フライア
イレンズにより分割拡大するものである。

【００５３】このようにすることで、フライアイレンズ
を、縦拡大用と横拡大用の２枚のフライアイレンズを用
いる場合に比較し、光量損失が少なくて済むため、レー
ザーのエネルギーロスが大幅に減少して、エネルギー効
率が向上し、良好なレーザーアニール、シリコン膜の結
晶化が可能となり、また、レーザー光源の長寿命化を図
ることができる。

【００５４】図８に、複眼状フライアイレンズの例を示
す。図８に示すように、本発明において用いるフライア
イレンズは、平面形状が多角形、例えば正方形を有する
凸レンズ８０１を、複数個規則的に、平面状に敷きつめ
た、複眼状の構成を有するフライアイレンズである。こ
の、複眼状のフライアイレンズは、一枚で、入射光を、
縦方向と横方向に均質に分割拡大する機能を有する。

【００５５】フライアイレンズを構成する個々の凸レン
ズの平面形状は、多角形、特に、長方形、正方形、また
は、六角形等にすると、規則的に配置しやすいため、レ
ンズの作製、加工が容易であり、また、レンズとして高
い精度を有せしめることが容易となるため、好ましい。

【００５６】レーザーアニール装置の構成として上記に
列挙したレンズは、レーザビームを線状に集光させ、か
つ、ビーム内の線方向のエネルギー分布を均一にするた
めのもので、ビームエキスパンダやフライアイレンズで
レーザビームの幅を広げた後、その一方向に沿って筒状
の棒状集光レンズ、たとえばシリンドリカルレンズによ
って、レーザビームを線状に集光する。

【００５７】パルスレーザー光源として、エキシマレー
ザ光は、照射直後のレーザービーム断面の形状が四角形
で、その強さもビームの断面内で概略均一である。ビー
ムエキスパンダは、レーザビームの幅を広げ、ビームの
断面の形状を正方形（もしくは長方形）に拡大整形し、
その面積を大面積化するものである。

【００５８】ただし、ビームエキスパンダを用いると、
レンズ数が増加する分、レーザービームのエネルギー効
率は低下する。したがって、ビームエキスパンダーを有
しない構成としてもよい。

【００５９】フライアイレンズはビーム面積を拡大する
一方で、ビームのエネルギー分布を均一にする作用を有
している。フライアイレンズは本来、ビームの均質化を
目的として開発されたものである。

【００６０】また、この線状に集光されたレーザビーム
の線幅方向のエネルギー分布は、球面収差により、集光
された光の周辺部にガウス分布に従ったエネルギー密度
の弱くなる領域を発生させる。そのため、線状ビームの
周辺部において、ビーム形状の端部のきれが明確でなく
なる。このため、シリンドリカルレンズを通過後の線状
レーザービームに生じる、上記線幅方向のガウス分布近
似のエネルギー分布の周辺部（すその部分）を、適当な
スリットを用いて取り除いてもよい。

【００６１】レーザービームは、例えばガラス基板上に
形成されたアモルファスシリコン膜等、被照射物をステ
ージ上に載置し、該ステージを移動させながら、レーザ
ービームを被照射面（被照射物の表面）上で適度に重な
るようにして照射することにより、たとえばアモルファ
スシリコン膜を高速度かつ均質に結晶化することができ
る。

【００６２】本明細書に開示されたレーザーアニール装
置、レーザーアニール方法は、レーザーアニールによ
り、アモルファスシリコン膜を結晶性シリコン膜とする
工程、結晶性シリコン膜の結晶性をさらに高める工程、
結晶性シリコン膜に導電性を付与する等の目的で、該膜
に不純物イオンを打ち込んだ場合に生じる、格子欠陥の
修復工程等に用いると、特に有効である。特に、ガラス
基板上に形成されている上記各種膜に対して、有効であ
る。

【００６３】

【実施例】〔実施例１〕本実施例では、半導体材料とし
て珪素膜を用いる。そして、レーザー光の照射によっ
て、珪素膜の結晶性を高める構成を説明する。まず装置
について説明する。

【００６４】図１には本実施例で使用するレーザーアニ
ール装置の概念図を示す。図１のレーザーアニール装置
は、マルチチャンバー方式であり、ローダー／アンロー
ダー室１１から搬入され、アライメント室１２にて位置
決めされた基板を、トランスファー室１３を介して、該
トランスファー室に設けられた基板搬送用ロボット１４
により、各室に運び、基板毎に連続して処理されるもの
である。

【００６５】基板は、初めに熱処理室１５に搬入され、
熱処理の後、レーザーアニール室１６にてレーザーアニ
ールが施され、その後徐冷室１７に運ばれて徐冷のの
ち、ローダー／アンローダー室１１へと移動される。

【００６６】このレーザーアニール装置は周囲に対する
密閉性を有しており、不純物による汚染を防いでいる。
また、レーザー照射時の雰囲気制御機能を有している。
また、基板を加熱する機能も有しており、レーザー照射
時の被照射物を所望の温度に保つことができる。

【００６７】なお、該レーザーアニール装置のパルスご
とのエネルギーのバラツキは、３σで±３％以内に収ま
っている。これよりもバラツキの大きいパルスレーザー
を用いても構わないが、焦点深度がせばまる。なお、３
σで±１０％以上のものは、本実施例には適さない。

【００６８】また、レーザーアニール装置には、図示し
ないレーザービーム照射手段が設けられており、このレ
ーザービーム照射手段から照射された線状ビームは、レ
ーザアニール室１６内入射して、レーザーアニール室１
６のステージ上に載置された試料を照射する。

【００６９】レーザービーム照射手段において、発振器
としてＬＵＭＮＩＣＳ社製ＥＸ７４８を用いた。発振さ
れるレーザー光は、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４
８ｎｍ、パルス幅２５ｎｓ）である。勿論、他のエキシ
マレーザーさらには他の方式のレーザーを用いることも
できる。ただし、パルス発振のレーザー光を用いる必要
がある。

【００７０】発振されたレーザー光は、そのビーム形状
の変形のために、図２に示すような光学系に導入され
る。図２に光学系の例を示す。光学系に入射する直前の
レーザー光のビームは、３×２cm² 程度の長方形である
が、該光学系によって、長さ１０〜３０cm、幅0.01 〜
0.3 cm程度の細長いビーム（線状ビーム）に加工され
る。また、この光学系を通った後の線状レーザービーム
の幅方向におけるエネルギー密度分布は図４の（ｂ）に
示すような台形形状となっている。本光学系を経たレー
ザー光のエネルギーは、最大で８００ｍＪ／ショットで
ある。

【００７１】レーザー光をこのような細長いビームに加
工するのは、加工性を向上させるためである。即ち、線
状のビームが試料に照射されるとき、もし、ビームの長
さが試料の幅よりも長ければ、試料を１方向に移動させ
ることで、試料全体に対してレーザー光を照射すること
ができる。一方、ビームの長さが試料の幅よりも短い場
合でも、長方形のビームと比較すると加工の手間がかか
らない。しかし、この場合、ビームを、試料に対して相
対的に、上下左右に動かす必要性が生じる。

【００７２】レーザー光が照射される基板（試料）は、
レーザーアチール室１６内のステージに載置されてい
る。このステージはコンピュータにより制御されており
線状レーザービームの線方向に対して直角方向に動くよ
う設計されている。さらに、該ビームの線方向に対して
動く機能をステージにつけておくと、ビーム幅が試料に
対して短い場合でも、試料全体に対するレーザー加工が
可能となる。又、該ステージの下にはヒーターが内臓さ
れており、レーザー光の照射時に試料を所定の温度に保
つことができる。

【００７３】レーザービームを線状レーザーに加工する
光学系の内部の光路（図２）の説明をする。該光学系に
入射したレーザー光は、シリンドリカル凹レンズＢ、シ
リンドリカル凸レンズＣ（レンズＢ、Ｃを総称してビー
ムエキスパンダと呼ぶ）、複眼状フライアイレンズＤを
通過する。フライアイレンズとして、複眼状フライアイ
レンズに変えて、縦拡大用と横拡大用の２つのフライア
イレンズを用いてもよい。なお複眼状フライアイレンズ
については、実施例３で詳述する。

【００７４】レーザー光はさらに、第１のシリンドリカ
ルレンズとして、シリンドリカル凸レンズＥ、線状化さ
せるビームの線方向の均質性を良くするために設けられ
る第２のシリンドリカルレンズとして、シリンドリカル
凸レンズＦを通過し、ミラーＧを介して、シリンドリカ
ルレンズＨによって集束され、被照射面に照射される。

【００７５】シリンドリカルレンズＡ、Ｂ間を２３０ｍ
ｍとし、フライアイレンズＤ、Ｄ２間を２３０ｍｍと
し、フライアイレンズＤとシリンドリカルレンズＥとの
間を６５０ｍｍとし、シリンドリカルレンズＦと被照射
面との間を６５０ｍｍ（それぞれ各レンズの焦点距離の
和）とした。もちろん、これらは、状況に応じて変化さ
せうる。シリンドリカルレンズＨには、焦点距離が１２
０ｍｍの物を用いる。

【００７６】焦点におけるレーザービームのエネルギー
分布の形状を、レンズＨを上下（Ｊ方向）に変化させる
ことで、台形状にする。被照射面をレンズＨに対して相
対的に上下させる（Ｊ方向）ことによって、被照射面上
（焦点）でのレーザービームのエネルギー分布の形状
を、矩形に近いものから台形に近いものまで変形させる
ことができる（図２の下図参照。これらの形をよりシャ
ープにするには、レーザー光路の途中にスリットを入れ
るとよい）。光学系は、本発明に必要なビームに変形で
きるのであれば、どの様なものでも良い。

【００７７】なお光学系として、図２のようなものに限
らず、図３に示すような、レンズＢ、Ｃを具備しないも
のを用いることも有効である。

【００７８】以下に本明細書で開示する発明を用いて、
レーザー光の照射によって、ガラス基板上に結晶性を有
する珪素膜を形成する例を示す。まず、３０ｃｍ角のガ
ラス基板（例えばコーニング７０５９、１７３７等）を
用意する。そしてこのガラス基板上に、ＴＥＯＳを原料
としたプラズマＣＶＤ法により、酸化珪素膜を２０００
Åの厚さに形成する。この酸化珪素膜は、ガラス基板側
から不純物が半導体膜に拡散したりするのを防止する下
地膜として機能する。

【００７９】次にプラズマＣＶＤ法によって、非晶質珪
素膜（アモルファスシリコン膜）の成膜を行う。ここで
は、プラズマＣＶＤ法を用いるが、減圧熱ＣＶＤ法を用
いるのでもよい。なお、非晶質珪素膜の厚さは、５００
Åとする。勿論この厚さは、必要とする厚さとすればよ
い。

【００８０】次に窒素雰囲気中において、４５０℃の温
度で１時間保持することにより、非晶質珪素膜中の水素
を離脱させる。これは、非晶質珪素膜中に不対結合手を
意図的に形成することにより、後の結晶化に際してのし
きい値エネルギーを下げるためである。

【００８１】次に珪素の結晶化を助長する金属元素を導
入する。ここでは、当該金属元素としてニッケルを用
い、このニッケル元素を導入するためにニッケル酢酸塩
溶液を非晶質珪素膜上に塗布する。そしてニッケル元素
が非晶質珪素膜の表面に接して保持された状態とする。
そして窒素雰囲気中において、５５０℃、４時間の加熱
処理を施すことにより、非晶質珪素膜を結晶化させる。

【００８２】こうして、ガラス基板上に結晶性を有する
珪素膜を得ることができる。しかし、このようにして得
られた結晶性珪素膜は、内部に非晶質成分を多く含んで
おり、このような状態は電気特性の劣化や変化の要因と
なる。そこで本実施例においては、上記の加熱処理によ
る結晶化に加えて、レーザー光の照射を行い、その結晶
性を向上させる。また、このときガラス基板上およびそ
の上の珪素膜の凹凸は±約２００μm であった。

【００８３】ここでは、図１に示す装置を用い、ＫｒＦ
エキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２５ｎ
ｓ）を前記結晶性を有する珪素膜に照射する。このレー
ザー光の照射によって、結晶性をさらに高めることがで
きる。

【００８４】レーザービームは線状に整形され、被照射
面でのビーム面積は１２５ｍｍ×１ｍｍとする。ビーム
の線幅は、レーザービームのエネルギー最高値の半値幅
としている。

【００８５】また線状レーザービームの線幅方向のエネ
ルギープロファイル（エネルギー分布）は、図４（ｂ）
において、Ｌ１＝０．４ｍｍ、Ｌ２、Ｌ３＝０．２５ｍ
ｍと、疑似台形状の分布を有しており、不等式０．５Ｌ
１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を満たしてい
る。

【００８６】この台形状分布のすその広がりの程度は、
レーザの光学系の最終レンズと照射面までの距離で変化
する。レーザー処理中、被照射物の凹凸により、レーザ
の光学系の最終レンズと照射面までの距離が変化する。
それに伴い、レーザービームの台形状分布のすその広が
りの程度が変化するが、その変化の範囲が、前記した不
等式の範囲に入っていれば均質なレーザー処理が可能と
なる。なお、ここでいうところの均質とは、レーザー照
射された該膜の基板面内における移動度のバラツキが、
±１０％以内に収まることを表す。

【００８７】試料は、図１のレーザーアニール室１６内
のステージ上に載せられており、ステージを２ｍｍ／ｓ
速度で移動させることによって、照射が行われる。レー
ザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度を１
００〜５００ｍＪ／ｃｍ² 、ここでは３００ｍＪ／ｃｍ
² とし、パルス数を30パルス/sとする。なお、ここでい
うエネルギー密度とは台形状に作られたビームの上底部
分（最大値を有する部分）の密度を指す。

【００８８】上述のような条件でレーザー照射を行なう
と、試料のある一点に着目した場合、レーザー照射は１
５段階照射になる。これは、１回のビームの通過に0.5
秒かかるので、１回のビームの走査しながらの照射によ
って、一箇所には１５パルスの照射が行われるからであ
る。この場合、上記１５回の照射において、最初の数回
の照射は徐々にその照射エネルギー密度が大きくなって
いく照射であって、最後の数回がエネルギー密度が徐々
に小さくなっていく照射となる。

【００８９】この様子を図５に模式的に示す。１５段階
の前半は徐々にレーザーエネルギーが上がっていき（図
５のＡに注目）、後半では徐々にそれが下がっていく
（図５のＢに注目）。この１５という回数はレーザーの
ビーム幅とステージの速度とレーザーのパルス数から容
易に算出できる。我々の実験によると３〜１００段階照
射、好ましくは１０〜４０段階照射が最もよい結晶性の
ある珪素膜が得られた。

【００９０】レーザー光の照射の際、基板温度は５００
℃に保たれている。これは、レーザーによる基板表面温
度の上昇と下降の速度を和らげるために行われている。
一般に環境の急激な変化は物質の均一性を損なわれるこ
とが知られているが、基板温度を高く保つことでレーザ
ー照射による基板表面の均一性の劣化を極力抑えてい
る。

【００９１】本実施例では基板温度を５００℃に設定し
ているが、実際の実施では室温〜ガラス基板の歪点まで
の間でレーザーアニールに最適な温度を選ぶ。また雰囲
気制御はここでは特に行わず、大気中で照射を行う。真
空、アルゴン・ヘリウム等の不活性ガス、水素、窒素等
の雰囲気で行なってもよい。

【００９２】本実施例の場合、被照射物の凹凸が±約２
００μm であったが、結晶化された被膜の、基板面内に
おける移動度のバラツキは、±７％程度であり、均質な
レーザー処理ができる。他方、線状レーザービームの線
幅方向のエネルギー分布を、図４（ｂ）において、Ｌ１
＝０．５ｍｍ、Ｌ２、Ｌ３＝０．２ｍｍ、すなわち０．
５Ｌ１＞Ｌ２（Ｌ３）と、やや矩形に近い疑似台形状の
分布を有するものとし、前記凹凸を有する被照射物（珪
素膜）にレーザーアニールを施したところ、移動度のバ
ラツキは±１３％であった。

【００９３】また、線状レーザービームの線幅方向のエ
ネルギー分布を、図４（ｂ）において、Ｌ１＝０．２ｍ
ｍ、Ｌ２、Ｌ３＝０．３ｍｍと（Ｌ１＞Ｌ２（Ｌ
３））、やや矩形に近い疑似台形状の分布を有するもの
とし、前記凹凸を有する被照射物（珪素膜）にレーザー
アニールを施したところ、移動度のバラツキは、±約８
％程度であったものの、結晶性珪素膜として極めて低い
移動度となってしまった。

【００９４】〔実施例２〕本実施例では、ガラス基板上
にパターニングされた複数の非晶質珪素膜よりなる島状
領域を、レーザーアニールにより、実質的な単結晶珪素
膜とし、該膜を活性層として用いた薄膜トランジタを形
成した例を示す。

【００９５】実施例１と同様に、図１に示すレーザアニ
ール装置を用いた。発振器として、ここではラムダフィ
ジック社製３０００−３０８を用いた。発振されるレー
ザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎ
ｍ、パルス幅２６ｎｓ）である。勿論、他のエキシマレ
ーザーさらには他の方式のレーザーを用いることもでき
る。ただし、パルス発振のレーザー光を用いる必要があ
る。

【００９６】発振されたレーザー光は、そのビーム形状
の変形のために、図３に示すような光学系に入射され
る。図３に光学系の例を示す。光学系に入射する直前の
レーザー光のビームは、３×２cm² 程度の長方形である
が、該光学系によって、長さ１０〜３０cm、幅0.01〜0.
3 cm程度の細長いビーム（線状ビーム）に加工される。
また、この光学系を通った後の線状レーザービームの幅
方向におけるエネルギー密度分布は図４の（ｂ）に示す
ような台形形状となっている。本光学系を経たレーザー
光のエネルギーは、最大で１０００ｍＪ／ショットであ
る。

【００９７】レーザー光をこのような細長いビームに加
工するのは、加工性を向上させるためである。即ち、線
状のビームが試料に照射されるとき、もし、ビームの幅
が試料の幅よりも長ければ、試料を１方向に移動させる
ことで、試料全体に対してレーザー光を照射することが
できる。一方、ビームの幅が試料の幅よりも短い場合で
も、長方形のビームと比較すると加工の手間がかからな
い。しかし、この場合、ビームを、試料に対して相対的
に、上下左右に動かす必要性が生じる。

【００９８】レーザー光が照射される基板（試料）のス
テージはコンピュータにより制御されており線状レーザ
ービームの線方向に対して直角方向に動くよう設計され
ている。さらに、該ビームの線方向に対して動く機能を
ステージにつけておくと、ビーム幅が試料に対して短い
場合でも、試料全体に対するレーザー加工が可能とな
る。又、該ステージの下にはヒーターが内臓されてお
り、レーザー光の照射時に試料を所定の温度に保つこと
ができる。

【００９９】レーザービームを線状レーザーに加工する
光学系の内部の光路（図３）の説明をする。レーザー光
源ａから発振され、光学系に入射したレーザー光は、ま
ず、フライアイレンズｂ、ｃを通過する。フライアイレ
ンズｂは縦拡大用、フライアイレンズｃは横拡大用であ
る。

【０１００】さらに、第１のシリンドリカルレンズとし
て、シリンドリカル凸レンズｄ、線状化させるビームの
線方向の均質性を良くするために設けられる第２のシリ
ンドリカルレンズとして、シリンドリカル凸レンズｅを
通過し、ミラーｆを介して、シリンドリカルレンズｇに
よって集束され、試料に照射される。

【０１０１】光路長は、レーザー光源からミラーｇまで
の距離は２０００ｍｍであり、ミラーｇから被照射面ま
での距離は４４０ｍｍである。シリンドリカルレンズｇ
には、焦点距離が１００ｍｍの物を用いる。

【０１０２】焦点におけるレーザービームのエネルギー
分布の形状を、レンズｇを上下（ｊ方向）に変化させる
ことで、台形状にする。照射面をレンズｇに対して相対
的に上下させる（ｊ方向）ことによって、照射面上（焦
点）でのレーザービームのエネルギー分布の形状を、矩
形に近いものから台形に近いものまで変形させることが
できる（図２の下図参照。これらの形をよりシャープに
するには、レーザー光路の途中にスリットを入れるとよ
い）。光学系は、本発明に必要なビームに変形できれば
どの様なものでも良い。

【０１０３】なお光学系として、図３のようなものに限
らず、図２に示すような、レンズＢ、Ｃを具備するもの
を用いてもよい。

【０１０４】図６を用いて、本実施例の作製工程を説明
する。まず、３０ｃｍ角のガラス基板６０１（例えばコ
ーニング７０５９、１７３７等）を用意する。そしてこ
のガラス基板上に、ＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶ
Ｄ法により、酸化珪素膜６０２を２０００Åの厚さに形
成する。この酸化珪素膜６０２は、ガラス基板６０１側
から不純物が半導体膜に拡散したりするのを防止する下
地膜として機能する。

【０１０５】次にプラズマＣＶＤ法によって、非晶質珪
素膜６０３（アモルファスシリコン膜）の成膜を行う。
ここでは、プラズマＣＶＤ法を用いるが、減圧熱ＣＶＤ
法を用いるのでもよい。なお、非晶質珪素膜６０３の厚
さは、５００Åとする。勿論この厚さは、必要とする厚
さとすればよい。（図６（Ａ））

【０１０６】次に、珪素の結晶化を助長する金属元素を
導入する。ここでは、当該金属元素としてニッケルを用
い、このニッケル元素を導入するためにニッケル酢酸塩
溶液を非晶質珪素膜上に塗布する。そしてニッケル元素
が非晶質珪素膜６０３の表面に接して保持された状態と
する。

【０１０７】次にパターニングを行うことにより、１つ
の島状領域が数十〜数百μｍ角、ここでは９０μｍ角の
大きさとして、ガラス基板上に複数の島状領域を設け
る。これらはそれぞれ、後に形成される複数の薄膜トラ
ンジスタの位置に対応し、薄膜トランジスタの活性層６
０４を構成する。この状態においては、活性層６０４は
非晶質珪素膜で構成されている。（図６（Ｂ））

【０１０８】この状態で、活性層６０４に対し、図１に
示す装置を用い、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０
８ｎｍ、パルス幅２５ｎｓ）を照射して結晶化させる。
レーザービームは線状に整形され、被照射面でのビーム
面積は１５０ｍｍ×０．４ｍｍとする（ビームの線幅は
エネルギーの最大値に対する半値幅）。

【０１０９】また線状レーザービームの線幅方向のエネ
ルギープロファイル（エネルギー分布）は、図４（ｂ）
において、Ｌ１＝０．１ｍｍとし、Ｌ２、Ｌ３＝０．０
８ｍｍと、疑似台形状の分布を有しており、かつ不等式
０．５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、及び０．５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１
を満たしている。

【０１１０】この台形状分布のすその広がりの程度は、
レーザの光学系の最終レンズと照射面までの距離で変化
する。レーザー処理中、被照射物の凹凸により、レーザ
の光学系の最終レンズと照射面までの距離が変化する。
それに伴い、レーザービームの台形状分布のすその広が
りの程度が変化するが、その変化の範囲が、前記した不
等式の範囲に入っていれば均質なレーザー処理が可能と
なる。なお、ここでいうところの均質とは、該膜の移動
度のバラツキが±１０％以内に収まることを表す。

【０１１１】ガラス基板６０１は、ステージ上に載せら
れており、ステージを２．５ｍｍ／ｓ速度で移動させる
ことによって照射が行われる。レーザー照射は、活性層
６０４の一方の辺から対向する辺に向かって、線状レー
ザービームが走査される。

【０１１２】レーザー光の照射条件は、レーザー光のエ
ネルギー密度を１００〜５００ｍＪ／ｃｍ² 、ここでは
４００ｍＪ／ｃｍ² とし、パルス数を２００パルス/sと
する。なおここでいうエネルギー密度とは台形状に作ら
れたレーザービームのエネルギー分布の上底部分（最大
値を有する部分）の密度を指す。

【０１１３】上述のような条件でレーザー照射を行なう
と、試料のある一点に着目した場合、レーザー照射は３
２段階照射になる。これは、１回のビームの通過に 0.4
秒かかるので、１回のビームの走査しながらの照射によ
って、一箇所には３２パルスの照射が行われるからであ
る。この場合、上記３２回の照射において、最初の数回
の照射は徐々にその照射エネルギー密度が大きくなって
いく照射であって、最後の数回が徐々にエネルギー密度
が小さくなっていく照射となる。

【０１１４】この様子を図５に模式的に示す。３２段階
の前半は徐々にレーザーエネルギーが上がっていき（図
５のＡに注目）、後半では徐々にそれが下がっていく
（図５のＢに注目）。この３２という回数はレーザーの
ビーム幅とステージの速度とレーザーのパルス数から算
出される。

【０１１５】レーザー光の照射の際、基板温度は５００
℃に保たれている。これは、レーザーによる基板表面温
度の上昇と下降の速度を和らげるために行われている。
一般に環境の急激な変化は物質の均一性を損なわれるこ
とが知られているが、基板温度を高く保つことでレーザ
ー照射による基板表面の均一性の劣化を極力抑えてい
る。

【０１１６】本実施例では基板温度を５００℃に設定し
ているが、実際の実施では室温〜ガラス基板の歪点まで
の間でレーザーアニールに最適な温度を選ぶ。また雰囲
気制御はここでは特に行わず、大気中で照射を行う。真
空、アルゴン・ヘリウム等の不活性ガス、水素、窒素等
の雰囲気で行なってもよい。

【０１１７】非晶質珪素膜である活性層６０４に対して
線状のレーザー光が照射されると、レーザー光が照射さ
れた領域が瞬間的に溶融する。そして、この線状のレー
ザー光が走査されて照射されることで、結晶成長が徐々
に進行していき、実質的に単結晶と見なせる領域を得る
ことが出来る。

【０１１８】すなわち、図６（Ｃ）に示すように、非晶
質珪素膜で構成された活性層６０４の一方の端部から、
線状のレーザービームが徐々に走査方向に走査しながら
照射されると、６０５で示されるような実質的に単結晶
とみなせる領域がレーザー光の照射に伴って成長してい
き、最終的に活性層全体を単結晶とみなせる状態とする
ことができる。

【０１１９】ここで示す単結晶とみなせる領域６０５と
いうのは、その領域中において、以下の条件を満たして
いることが必要である。 ・結晶粒界が実質的に存在していない。 ・点欠陥を中和するための水素またはハロゲン元素を１
×１０¹⁵〜１×１０²⁰原子ｃｍ^-3の濃度で含んでいる。 ・炭素及び窒素の原子を１×１０¹⁶〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3
の濃度で含んでいる。 ・酸素の原子を１×１０¹⁷〜５×１０¹⁹原子ｃｍ^-3の濃
度で含んでいる。

【０１２０】また、本実施例で示すような珪素の結晶化
を助長する金属元素を利用している場合には、その膜中
に当該金属元素を１×１０¹⁶〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度
で含んでいる必要がある。この濃度範囲の意味するとこ
ろは、これ以上の濃度範囲では、金属としての特性が表
れてしまい半導体としての特性が得られず、またこの濃
度範囲以下では、そもそも珪素の結晶化を助長する作用
を得ることができないということである。

【０１２１】これらのことより分かるように、上記のレ
ーザー光の照射によって得られる単結晶とみなせる珪素
膜の領域は、単結晶ウエハーのような一般的な単結晶と
は本質的に異なるものである。

【０１２２】このレーザー光の照射による結晶化の際に
おいても膜の収縮が発生し、その歪みは活性層の周辺部
に行くほど蓄積する。

【０１２３】また、一般に活性層の厚さは、数百Å〜数
千Å程度である。またその大きさは数μｍ角〜数百μｍ
角である。即ち、非常に薄い薄膜状の形状を有してい
る。このような薄い薄膜状の状態において、図６（Ｃ）
に示すような結晶成長が進行すると、その周囲、即ち結
晶成長の成長終点付近やそれ以上結晶成長が進行しない
領域に歪みが集中して発生してしまう。

【０１２４】このように主に２つの原因により、活性層
の周囲に歪みが集中して存在することとなってしまう。
活性層中にこのような歪みが集中している領域が存在す
ることは、薄膜トランジスタの動作において悪影響を及
ぼす原因となるので、好ましいものではないため、活性
層の周囲全周をエッチング除去することが好ましい。こ
うして図６（Ｄ）に示すような実質的に単結晶と見なせ
る領域６０５で構成され、また応力の影響が低減された
活性層６０６を得ることができる。

【０１２５】活性層６０６を得た後、活性層６０６を覆
ってゲイト絶縁膜６０７として酸化珪素膜を１０００Å
の厚さにプラズマＣＶＤ法で成膜した。さらにＰ（リ
ン）を多量にドーピングした多結晶珪素膜を減圧熱ＣＶ
Ｄ法で５０００Åの厚さに成膜し、パターニングを施す
ことにより、ゲイト電極６０８を形成した。

【０１２６】次にＰ（リン）イオンの注入をプラズマド
ーピング法またはイオン注入法により行い、自己整合的
にソース領域６０９とドレイン領域６１１を形成した。
そしてゲイト電極６０８がマスクとなることによって不
純物イオンが注入されない領域６１０をチャネル形成領
域として画定した。（図６（Ｅ））

【０１２７】次に層間絶縁膜６１２として酸化珪素膜を
ＴＥＯＳガスを用いたプラズマＣＶＤ法で７０００Åの
厚さに成膜した。そしてコンタクトホールの形成後、チ
タンとアルミニウムの積層膜を用いて、ソース電極６１
３とドレイン電極６１４の形成を行った。また図面では
示されないが、ゲイト電極６０８へのコンタクト電極も
同時に形成した。そして最後に３５０℃の水素雰囲気中
において１時間の加熱処理を加えることにより、図６
（Ｆ）に示すような薄膜トランジスタを完成させた。

【０１２８】このようにして得られた、ガラス基板上に
形成された複数の薄膜トランジスタは、移動度のバラツ
キは±５％程度となっており、均質な結晶化がなされて
いることがわかる。

【０１２９】また、それぞれの活性層は、極めて良好に
実質的な単結晶となる。活性層が単結晶と見なせるよう
な珪素膜で構成されているので、その電気的な特性もＳ
ＯＩ技術等を利用して作製された単結晶珪素膜を用いた
薄膜トランジスタに匹敵するものとすることができる。

【０１３０】〔実施例３〕本実施例では、レーザーアニ
ール装置として図１に示したものを用いる。図９に、実
施例におけるレーザーアニールを行うための光学系の例
を示す。

【０１３１】図９において、レーザーアニール装置は、
パルスレーザー発生手段として、エキシマレーザビーム
を発生するエキシマレーザ発生手段Ｋと、当該エキシマ
レーザビームを拡大するビームエキスパンダＬ、Ｍと、
ビームエキスパンダＬ、Ｍによって拡大されたビームを
分割拡大する複眼状のフライアイレンズＮと、該複眼状
フライアイレンズにより分割拡大されたレーザビームを
線状に集光する第１のシリンドリカルレンズＯと、該線
状化されたレーザービームの線方向の均質性を良くする
第２のシリンドリカルレンズＰと、表面上に被照射物を
有する基板を載置して図示矢印Ｔ方向に移動するステー
ジＳとから構成される。

【０１３２】なお、図中の折り返しミラーＱ、および、
シリンドリカルレンズＲはレーザー加工をステージＳ上
で行うためのものである。

【０１３３】ここでは、レーザー光源Ｋとシリンドリカ
ルレンズＬ間の距離が２３０ｍｍ、フライアイレンズＮ
と第１のシリンドリカルレンズＯとの間が６５０ｍｍ、
シリンドリカルレンズＰと被照射面との間が６５０ｍｍ
（それぞれ各レンズの焦点距離の和）とする。もちろ
ん、これらは、状況に応じて変化させうる。シリンドリ
カルレンズＲには、焦点距離が１２０ｍｍの物を用い
る。

【０１３４】上記光学系に入射するエキシマレーザビー
ム光源としては、たとえば、ＬＵＭＮＩＣＳ社製ＥＸ７
４８（ＫｒＦエキシマレーザー、波長248 ｎｍ、エネル
ギーバンド（Eg）＝5.0eV 、パルス幅２５ｎｓ）を発振
器として用いる。他に、ラムダフィジック社製３０００
−３０８（ＸｅＣｌエキシマレーザー、波長３０８ｎ
ｍ、パルス幅２６ｎｓ）等を用いてもよい。もちろん、
パルス発振のレーザー光であれば、他のエキシマレーザ
ーさらには他の方式のレーザーを用いることもできる。
この光学系を経たレーザー光のエネルギーは、最大で８
００ｍＪ／ショットである。

【０１３５】また、光源から出力されるエキシマレーザ
ビームの平面形状は、大きさが２０ｍｍ×３０ｍｍであ
る。さらに、このエキシマレーザビームは、ビームエキ
スパンダＬ、Ｍによって、正方形状に整形、拡大され
る。すなわち、拡大された後のエキシマレーザビームの
大きさは、30ｍｍ×30ｍｍと正方形にする。

【０１３６】このように、レーザービームを概略正方形
に整形しておくのは、後にレーザービームが通過する複
眼状フライアイレンズＮの平面形状が、概略正方形状を
なしているからである。複眼状フライアイレンズの平面
形状に、当該フライアイレンズに入射する直前のレーザ
ービームの平面形状（断面形状）を似せておけば、該フ
ライアイレンズの能力を最大限に引き出せるのでビーム
の分割をより容易かつ均一に行うことができ、最終的に
得られる線状レーザービームの均一性を高めることがで
きる。もちろん、レーザービームを必ずしも正方形状に
整形する必要はない。

【０１３７】ただし、ビームを複眼状フライアイレンズ
に通す前に、ビームをある程度拡大しておくと、複眼状
フライアイレンズとして大きさが大きいものを使用する
ことができるので、複眼状フライアイレンズを作製する
際の微細加工の精度を低くすることができる。

【０１３８】上記のように整形拡大されたレーザービー
ムを、図８に示す複眼状のフライアイレンズに通すこと
により、ビームを分割拡大する。

【０１３９】図８に示すように、複眼状フライアイレン
ズの全体の平面形状は、多角形、ここでは概略正方形状
である。複眼状フライアイレンズは、平面形状が多角形
の凸レンズ８０１を、複数個、規則的に敷きつめて配置
された構成をなしている。ここでは、複眼状フライアイ
レンズは、平面形状が正方形の凸レンズを、マトリクス
状に敷きつめた構成をなしている。

【０１４０】個々の凸レンズの平面形状は、正方形以外
でもよく、例えば、長方形、三角形、六角形といった多
角形が、規則的に並べやすいため好ましい。この複眼状
フライアイレンズにより、レーザービームを分割拡大す
ることにより均質なレーザービームを作ることができ
る。

【０１４１】さらに、上記レーザビームは、シリンドリ
カルレンズＯによって横長に集光され、被照射面でのビ
ーム幅（線幅）が１ｍｍ程度、ビーム長さが１２０ｍｍ
程度の、線状のレーザビームとなる（ビーム幅はエネル
ギー密度の半値幅とする）。

【０１４２】当該線状レーザーの線幅方向のエネルギー
密度の分布は疑似正規分布をなしていた。処理の目的に
より、線状レーザーの線幅方向の疑似正規分布のエネル
ギー密度の分布が、不都合な場合、スリットを用いるこ
とにより、エネルギー密度分布を矩形に近づけることも
可能である。この場合、該スリットは、シリンドリカル
レンズＯよりも後方、例えば、シリンドリカルレンズＤ
と、ミラーＱとの間に設置する。当該スリットの位置及
びスリット幅は必要に応じ決定する。

【０１４３】一方、線状レーザービームの線方向の均質
性を整えるため、シリンドリカルレンズＰを用いる。図
１１にシリンドリカルレンズの作用を示す。

【０１４４】図１１に示すように、当該シリンドリカル
レンズ１１０３は、フライアイレンズ１１０２を構成す
る１つ１つのレンズを通ってきたレーザー光１１０１を
それぞれ被照射面１１０４のほぼ同じ場所に到達させる
役割を果たす。これにより、レーザー光は被照射面上で
均質に合成される。

【０１４５】光学系は、本実施例に必要なビームに変形
できればどの様なものでもよい。例えば、図９のような
ものに限らず、図１０に示すような、レンズＬ、Ｍを具
備しないものを用いることも有効である。

【０１４６】図１２は、線状レーザービームを用いてレ
ーザー照射する様子を示す。図１２に示すように、線状
のレーザビーム１２０１は、長さ１２０ｍｍ、幅１ｍｍ
の集光されている。線状のレーザビーム１２０１は、該
ビームの線方向と直角方向を走査方向１２０３（図９に
おいてはＴ方向）として走査しながら、基板上の被照射
物１２０２に照射される。

【０１４７】該レーザーはパルスレーザーなので、該レ
ーザーを発振させながら、該線状レーザービームを被照
射物に対して相対的に図１２中→（矢印）の走査方向１
２０３にずらしてゆくと、該パルスレーザーの１ショッ
ト１ショットが１方向にずれながら重なり合い、その結
果被照射物に均質なレーザーアニールをもたらす。

【０１４８】このように、線状のレーザービームが被照
射物に照射されるとき、ビームの長さが、被照射物の幅
よりも長ければ、被照射物を１方向に移動させること
で、被照射物全体に対して均質なレーザー照射を行うこ
とができ、長方形等のスポット形状のレーザービームを
用いた場合に比較して、高い処理能力を有せしめること
ができる。

【０１４９】一方、ビームの長さが被照射物の幅よりも
短い場合でも、スポット形状のビームと比較すると加工
の手間はかからない。しかし、この場合、レーザービー
ムを、被照射物に対して、相対的に、前後左右に動かす
必要が生じる。

【０１５０】基板が載置されるステージは、コンピュー
タにより動作が制御されており、線状レーザービームの
線方向に対して、直角方向に動くように設計されてい
る。さらに、該ビームの線方向に対して動く機能をステ
ージに付加しておくと、ビームの長さが被照射物に対し
て短い場合でも、被照射物全体に対するレーザー加工が
可能となる。又、ステージの下は、ヒーターが内蔵され
ており、レーザー光の照射時に被照射物を所定の温度に
保つことができる。

【０１５１】このレーザーアニール装置を用い、ガラス
基板上に結晶性シリコンＴＦＴを作製する。図１３に実
施例における作製工程を示す。

【０１５２】まず、ガラス基板１０１（本実施例では１
００ｍｍ角のコーニング７０５９を用いる）上に、厚さ
２０００Åの下地酸化珪素膜１０２と、そのさらに上に
厚さ５００Åのアモルファスシリコン膜１０３を、プラ
ズマＣＶＤ法により連続的に成膜した。そして、１０ｐ
ｐｍの酢酸ニッケル水溶液をシリコン表面に塗布し、ス
ピンコート法により酢酸ニッケル層を形成した。このニ
ッケルは、上記シリコン膜の結晶化を促進する役割を果
たす。酢酸ニッケル水溶液には界面活性剤を添加すると
よりよかった。酢酸ニッケル層は極めて薄いので、膜状
となっているとは限らないが、以後の工程に於ける問題
はない。（図１３（Ａ））

【０１５３】そして、５５０℃で４時間熱アニールする
ことにより、シリコン膜を結晶化させる。このとき、ニ
ッケルが結晶の核の役割を果たし、シリコン膜の結晶化
を促進させる。５５０℃、４時間という低温（コーニン
グ７０５９の歪み点温度以下）、短時間で処理できるの
はニッケルの機能による。詳細については特開平６ー２
４４１０４号公報に記されている。

【０１５４】触媒元素の濃度は、１×１０¹⁵〜１×１０
¹⁹原子／ｃｍ³ であると好ましかった。１×１０¹⁹原子
／ｃｍ³ 以上の高濃度ではシリコンに金属的性質が表れ
て、半導体特性が消滅してしまった。本実施例記載のシ
リコン膜中の触媒元素の濃度は、膜中における最小値で
１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸原子／ｃｍ³ であった。なお、
これらの値は、２次イオン質量分析法（ＴＥＭ）により
分析、測定したシリコン膜中の触媒元素の濃度の最小値
である。

【０１５５】このようにして得られた結晶性シリコン膜
の結晶性をさらに高めると同時に、該膜中のニッケルの
偏析を拡散させるために、大出力パルスレーザーである
エキシマレーザーを該膜に照射する。ビーム型は線状に
加工されており、ビームサイズは１×１２０ｍｍ² とし
た。

【０１５６】ガラス基板１０１をステージ上に置き、ス
テージをレーザービームに対して相対的に動かすことに
より照射を行った。本実施例ではレーザービームの照射
位置を固定し、該ステージを該レーザービームの線方向
（長辺）に対し概略直角方向（この方向が最も効率よく
レーザー加工できる）に走査させることにより照射を行
う。

【０１５７】レーザーのパルス数は３０／ｓパルスと
し、ステージの速度を２ｍｍ／ｓとした。このとき、被
照射物の１点に注目すると、１５ショットのレーザー光
が照射されている。このショット数を２〜２０の範囲に
しておけば、レーザー照射後のシリコン膜の均質性がよ
かった。また、レーザー照射時の基板温度は２００℃と
した。

【０１５８】レーザーの照射方法は、２段階照射とし
た。レーザー照射効果の不均一性を緩和するには、強い
パルスレーザー光を照射する走査（以下本照射と呼ぶ）
の前に、それよりも弱いパルスレーザー光の予備的な照
射をする走査（以下予備照射と呼ぶ）を行うと均一性が
向上する。この効果は非常に高く、半導体デバイスの特
性を著しく向上させる。つまり、１回目の照射で膜に残
っているアモルファス部分を結晶化して、さらに２回目
の照射では全体的な結晶化を促進させるのが、２段階照
射の作用である。

【０１５９】このように、ゆるやかに結晶化を促進させ
ることで、線状レーザー照射によりシリコン膜上にでる
縞状のむらをある程度抑えることができた。なお、レー
ザーのエネルギー密度は１００ｍＪ／ｃｍ² 〜５００ｍ
Ｊ／ｃｍ²の範囲で照射を行い、例えば１回目２２０ｍ
Ｊ／ｃｍ² 、２回目３６５ｍＪ／ｃｍ² で、照射を行っ
た。

【０１６０】本実施例では、結晶性触媒元素としてニッ
ケルのみにふれたが、ニッケル、鉄、コバルト、白金、
パラジュウム等の元素のうち、少なくとも１つをニッケ
ルの代わりに用いても良い。（図１３（Ｂ））

【０１６１】このようにして作製された結晶性シリコン
膜を用いて薄膜トランジスタを作製する。まず、該結晶
性シリコン膜をエッチングして、島状シリコン領域１０
５を形成した。次に、プラズマＣＶＤ法によって厚さ１
２００Åの酸化珪素膜１０６をゲイト絶縁膜として堆積
した。プラズマＣＶＤの原料ガスとしては、ＴＥＯＳと
酸素を用いた。成膜時の基板温度は２５０〜３８０℃、
例えば、３００℃とした。

【０１６２】引き続いてスパッタ法によって、厚さ３０
００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミニウム膜
（０. １〜２％のシリコンを含む）を堆積した。そし
て、アルミニウム膜をエッチングして、ゲイト電極１０
７を形成した。（図１３（Ｃ））

【０１６３】次に、イオンドーピング法によって、シリ
コン領域にゲイト電極をマスクとして不純物（ボロン）
を注入した。ドーピングガスとして、水素で１〜１０％
に希釈されたジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）、例えば５％のもの
を用いた。加速電圧は６０〜９０ｋＶ、例えば６５ｋ
Ｖ、ドーズ量は２×１０¹⁵〜５×１０¹⁵原子／cm² 、例
えば、３×１０¹⁵原子／cm² とした。イオンドーピング
時の基板温度は室温とした。この結果、Ｐ型の不純物領
域１０８（ソース）、１０９（ドレイン）が形成され
た。（図１３（Ｄ））

【０１６４】そして、ドーピングされたボロンを活性化
するために、前述したレーザーアニール装置を用いて、
同様なレーザーアニールを行なった。レーザーのエネル
ギー密度は１００〜３５０ｍＪ／cm² 、例えば、２５０
ｍＪ／cm² とした。このとき、被照射物の１点に注目す
ると、２〜２０ショットのレーザー光が照射されるよう
にした。また、レーザー照射時の基板温度は２００℃と
した。その後、窒素雰囲気中で２時間、４５０℃の熱ア
ニールを行った。本工程では、レーザーアニールと熱ア
ニールとの両方を行ったが、どちらか片方だけ行っても
よい。（図１３（Ｅ））

【０１６５】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１１
０を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成
し、これにコンタクトホールを開孔した。そして、金属
材料、例えば、チタンとアルミニウムの多層膜によって
ＴＦＴのソース、ドレインの電極・配線１１１、１１２
を形成した。最後に、１気圧の水素雰囲気で２００〜３
５０℃の熱アニールを行なった。（図１３（Ｆ））

【０１６６】このようにして作製されたＴＦＴは移動度
が１００ cm² / Vs 程度もしくはそれ以上と大変高く、
例えば液晶ディスプレイのシフトレジスタのごとき高い
移動度を要求するものにも十分に対応できるものであ
る。また、レーザーアニール装置のレーザー光源の寿命
は、フライアイレンズが２枚の構成に比較して、５〜１
０％延ばすことができる。

【０１６７】〔実施例４〕本実施例では、実施例３とは
配置の異なる光学系を用い、さらに線状レーザービーム
の線幅方向のエネルギー密度の分布を台形状として、結
晶性シリコンＴＦＴを作製した例を示す。

【０１６８】実施例３と同様に、図１３を用いて実施例
の作製工程を示す。まず、ガラス基板（ここでは３００
ｍｍ角、厚さ０．７ｍｍのコーニング１７３７を用い
る。他に、コーニング７０５９、ＯＡ２、ＮＡ４５等を
用いてもよい）１０１上に、厚さ２０００Åの下地酸化
珪素膜１０２と、そのさらに上に厚さ５００Åのアモル
ファスシリコン膜１０３をプラズマＣＶＤ法により連続
的に成膜した。

【０１６９】そして、１０ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液
をアモルファスシリコン膜１０３表面に塗布し、スピン
コート法により酢酸ニッケル層を形成した。酢酸ニッケ
ル水溶液には界面活性剤を添加するとよりよかった。酢
酸ニッケル層は極めて薄いので、膜状となっているとは
限らないが、以後の工程における問題はない。（図１３
（Ａ））

【０１７０】そして、５５０℃で４時間熱アニールする
ことにより、アモルファスシリコン膜を結晶化させる。
このとき、ニッケルが結晶の核の役割を果たし、シリコ
ン膜の結晶化を促進させる。５５０℃、４時間という低
温（コーニング１７３７の歪み点温度以下）、短時間で
処理できるのは、ニッケルの機能による。

【０１７１】触媒元素の濃度は、１×１０¹⁵〜１×１０
¹⁹原子／ｃｍ³ であると好ましかった。１×１０¹⁹原子
／ｃｍ³ 以上の高濃度ではシリコンに金属的性質が表れ
て、半導体特性が消滅してしまった。

【０１７２】本実施例記載のシリコン膜中の触媒元素の
濃度は、膜中における最小値で１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸
原子／ｃｍ³ であった。なお、これらの値は、２次イオ
ン質量分析法（ＴＥＭ）により分析、測定したシリコン
膜中の触媒元素の濃度の最小値である。

【０１７３】このようにして結晶性シリコン膜が得られ
る。このとき、ガラス基板は、結晶性シリコン膜が設け
られている面側に、凹型にそっている。ここでは、ガラ
ス基板の中心部と周辺部とにおいて、約３００μｍ程度
の高低差を有している。

【０１７４】そりの程度は、ガラス基板の大きさや厚
さ、種類により異なる。１００ｍｍ角の基板であれば２
０〜２００μｍ程度、５００ｍｍ角になると、１〜２ｍ
ｍ程度になることもある。このようにして得られた結晶
性シリコン膜の結晶性をさらに高めるために、大出力パ
ルスレーザーであるエキシマレーザーを該膜に照射す
る。

【０１７５】ここでは、実施例３と同じく、図１に示す
レーザーアニール装置を用いる。なお、該レーザーアニ
ール装置の、レーザービームのパルス毎のエネルギーの
バラツキは、３σで±３％以内に納まっている。これよ
りバラツキの大きいパルスレーザーを用いても構わない
が、１走査におけるレーザー照射工程全体のレーザービ
ームの焦点深度が狭まってしまう。なお、３σで±１０
％以上のものは、本実施例には適していない。

【０１７６】本実施例では、発振器として、ラムダフィ
ジック社製３０００−３０８を用いた。発振されるレー
ザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎ
ｍ、パルス幅２６ｎｓｅｃ）である。もちろん、他の方
式のパルス発振のレーザー光を用いてもよい。

【０１７７】光学系に入射する直前のレーザー光のビー
ムは、３×２cm² 程度の長方形であるが、該光学系によ
って、長さ１０〜３０cm、幅0.01〜0.3 cm程度の細長い
ビーム（線状ビーム）に加工される。

【０１７８】発振されたレーザー光は、そのビーム形状
の変形のために、図１０に示すような光学系に導入され
る。図１０に、実施例におけるレーザーアニールを行う
ための光学系の例を示す。レーザービームを線状レーザ
ーに加工する光学系の内部の光路（図１０）の説明をす
る。

【０１７９】レーザー光源ｋから発振され、光学系に、
入射したレーザー光は、まず、図８に示す構造を有する
複眼状のフライアイレンズｉを通過する。さらに、第１
のシリンドリカルレンズとして、シリンドリカル凸レン
ズｍ、線状化させるビームの線方向の均質性を良くする
ために設けられる第２のシリンドリカルレンズとして、
シリンドリカル凸レンズｎを通過し、ミラーｏを介し
て、シリンドリカルレンズｐによって集束され、被照射
物に照射される。光路長は、レーザー光源からミラーｏ
までの距離が、２０００ｍｍ、ミラーｏから被照射面ま
での距離は、４４０ｍｍを有する。シリンドリカルレン
ズｐには、焦点距離が約１００ｍｍの物を用いる。

【０１８０】レーザービームの線幅方向のエネルギー分
布の形を、線幅の周辺部においてシャープにするため
に、レーザー光路の途中にスリットを設ける。スリット
を設ける位置は、図１０においては、シリンドリカルレ
ンズｌの後が好ましく、例えば、シリンドリカルレンズ
ｎと、ミラーｏとの間、あるいは、シリンドリカルレン
ズｐと被照射面との間等が好ましい。

【０１８１】この光学系は、複眼状のフライアイレンズ
を一枚用いて、かつビームエキスパンダも備えていない
ため、レーザービームのエネルギー効率の低下を防ぐに
は最も適した構成の一つである。もちろん、本実施例に
おいて、図９に示すようなビームエキスパンダーを備え
た構成を用いてもよい。

【０１８２】本光学系を経たレーザービームは線状に整
形され、被照射面でのビーム面積は、３００ｍｍ×０．
４ｍｍとする（ビームの線幅は、照射エネルギー分布に
おいて、半値幅とする）。本光学系を経たレーザー光の
エネルギーは、最大で１０００ｍＪ／ショットである。
光学系は、必要なビーム形状に変形できれば、どの様な
ものでもよい。

【０１８３】レーザー照射は、図１２に示すように、線
状レーザービームを被照射物に対し相対的にずらしなが
ら照射を行う。線状レーザーをずらしていく方向（基板
の移動方向）は線状レーザーと概略直角（図１０、ｒ方
向）とする。

【０１８４】次に、被照射面における線状レーザービー
ムの、線幅方向におけるエネルギー密度の分布を示す。
図４にレーザービームのエネルギー分布を示す。本実施
例においては、レーザービームの被照射面における線幅
方向のエネルギー分布を、スリットを用いて形成され
る、図４（ａ）に示す一般的な矩形のエネルギー分布で
はなく、図４（ｂ）に示す、台形状のエネルギー分布を
用いる。

【０１８５】被照射面における線幅方向のエネルギー分
布が台形状のレーザービームは、矩形のエネルギー分布
のものに比較して、 １）焦点深度が広くなる。 ２）１回の走査で、従来の２段階照射と同等な効果を与
える。 という長所がある。

【０１８６】一般的に使用されるレーザービームの線幅
方向のエネルギー密度分布は、図４（ａ）に示す、矩形
である。この、矩形状のレーザービームは、被照射面に
おけるエネルギー密度は高いが、焦点深度が狭くなる傾
向がある。具体的には、焦点深度が±約２００μｍ以下
となり、被照射面が凹凸やうねりを有する場合におい
て、前記した台形状のエネルギー分布を有するレーザー
ビームに比較して、結晶性が不均一になりやすい。こう
して得られる結晶性シリコン膜を用いて複数の薄膜トラ
ンジスタを形成した場合、各々のしきい値電圧（Ｖ_th）
が不均一となっていしまう。

【０１８７】一方、図４（ｂ）に示すエネルギー分布
は、線状レーザービームの線幅方向において、不等式
０．５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を共
に満たすものである。この台形状のエネルギー分布を有
するレーザービームは、焦点深度が広くなる。具体的に
は、±約４００μｍ以内程度を有せしめることができ、
エネルギー分布が矩形のレーザービームに比較して、被
照射面が凹凸やうねりを有する場合において、結晶性を
均質にし、また、結晶化に十分なエネルギー密度をも与
えうる。

【０１８８】他方、Ｌ２（Ｌ３）＞Ｌ１として、台形〜
三角形状のエネルギー分布とすると、焦点深度は±４０
０μｍより大きくとれるが、焦点調整は困難となり、ま
たエネルギー密度が小さくなるため、シリコン膜は結晶
化が不十分となりやすく、所望の移動度は得られないこ
とがある。

【０１８９】したがって、凹凸や、そり、ゆがみ、撓み
等を有する基板等、高低差の激しい被照射面に対して、
線状レーザービームの照射をする場合において、線幅方
向のエネルギー分布を、広い焦点深度を有する、前述の
不等式を満たす台形状のエネルギー分布とすることによ
り、従来の矩形状のエネルギー分布を有するレーザービ
ームを用いた場合に比較して、被照射面に均一なエネル
ギーを与え、結果として、均質な結晶性を有するシリコ
ン膜を得ることができる。

【０１９０】本実施例では、被照射面におけるレーザー
ビームの、線幅方向のエネルギー密度分布の形状を台形
状にするために、レンズｐの位置を上下（図１０、ｓ方
向）に変化させる。

【０１９１】被照射面をレンズｐに対して相対的に上下
させる（図１０、ｓ方向）ことによっても、照射面上で
のレーザービームのエネルギー分布の形状を、矩形に近
いものから台形に近いものまで変形させることができ
る。

【０１９２】ここでは、線状レーザービームの線幅方向
のエネルギー密度の分布（エネルギープロファイル）
は、図４（ｂ）において、Ｌ１＝０．４ｍｍ、Ｌ２、Ｌ
３＝０．２５と、台形状の分布を有しており、不等式、
０．５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を満
たしている。

【０１９３】この台形状分布のすその広がりの程度は、
レーザの光学系の最終レンズと被照射面までの距離で変
化する。レーザー処理中、被照射面（物）の高低によ
り、レーザーの光学系の最終レンズと被照射面までの距
離が変化する。それに伴い、レーザービームの台形状分
布のすその広がりの程度が変化するが、その変化の範囲
が、不等式０．５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ３
≦Ｌ１の範囲に入っていれば、焦点深度が適度に広が
り、結果として均質なレーザー処理が可能となる。な
お、ここでいうところの均質とは、レーザー照射された
結晶性シリコン膜の基板面内における移動度のバラツキ
が、±１０％以内に納まることを表す。

【０１９４】ガラス基板１０１は、ステージ上に載置さ
れており、ステージを２．５ｍｍ／ｓ速度で移動させる
ことによって照射が行われる。レーザービームの照射条
件は、レーザービームのエネルギー密度を１００〜５０
０ｍＪ／ｃｍ² 、ここでは、４００ｍＪ／ｃｍ² とし、
パルス数を２００パルス／ｓとする。なお、ここでいう
エネルギー密度とは、台形状のレーザービームのエネル
ギー分布の上底部分（最大値を有する部分）の密度を示
す。

【０１９５】上述のような条件でレーザー照射を行う
と、被照射面のある一点に着目した場合、レーザー照射
は３２段階照射になる。これは、１回のビームの通過
に、０．４秒かかるので、１回のビームの走査しながら
の照射によって、一箇所には３２パルスの照射が行われ
るからである。レーザー照射は、３〜１００段階照射、
好ましくは、１０〜４０段階照射が、最もよい結晶性を
有するシリコン膜が得られる。

【０１９６】本実施例のように、台形状のエネルギー分
布を有する線状レーザービームを、基板に対して、レー
ザービームの線幅方向（線方向に対し直角）に相対的に
移動し、ビームを重ねながら照射した際、レーザービー
ムのエネルギー分布に勾配があるために、被照射面のあ
る一点に注目すると、最初に弱いレーザー光が照射さ
れ、徐々に強いレーザー光が照射され、やがて徐々に弱
いレーザー光が照射され、照射が終了した、という状況
となる。

【０１９７】図５に、台形状のエネルギー分布を有する
線状レーザービームでレーザー照射をする様子を示す。
図５において、レーザービーム照射の前半は、レーザー
エネルギーが徐々に上がっていき（Ａに注目）、後半で
は徐々に下がっていく（Ｂに注目）。したがって、前記
した台形状のエネルギー分布を有する線状レーザービー
ムを用いると、被照射領域に供給されるエネルギーの変
化が、従来の矩形のエネルギー分布を有する線状レーザ
ービームを用いた場合に比較して、極めて緩やかにな
る。

【０１９８】これにより、従来、エネルギー密度の弱い
レーザー光を最初に照射し（予備照射）、次にエネルギ
ー密度の強いレーザー光ーを照射（本照射）して行われ
た、２段階照射と同等な状況を実現できる。結果とし
て、レーザー照射されたシリコン膜において、急激な相
変化の発生を防ぎ、表面の荒れや、内部応力の蓄積を防
いで、均一な結晶性を有せしめることができる。

【０１９９】レーザービーム照射の際、基板温度は、５
００℃に保たれている。これは、レーザーによる基板表
面温度の上昇と下降の速度を和らげ、被照射物の均一性
の劣化を抑えるためである。基板温度は、室温〜ガラス
基板の歪み点までの間で、レーザーアニールに適した温
度を選ぶ。また雰囲気制御はここでは特に行わず、大気
中で行う。真空、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、
水素、窒素等の雰囲気で行ってもよい。（図１３
（Ｂ））このようにして得られた結晶性シリコン膜は、
ガラス基板がそりを有しているにも係わらず、均質な結
晶性を有している。

【０２００】その後、実施例３と同様にしてＴＦＴを作
製する。該作製工程において、不純物イオン打ち込み後
の結晶性回復工程においても、図１で示したレーザーア
ニール装置を用いる。このようにして、得られた複数の
ＴＦＴのしきい値電圧は、ガラス基板がそりを有してい
たにもかかわらず、しきい値電圧の分布が、基板面内に
おいて±５％と、極めて均一化される。一方、線状レー
ザービームの線幅方向のエネルギー分布を、従来一般的
な矩形とした場合、基板中央部分と周辺部において、Ｔ
ＦＴのしきい値電圧が大きく異なり、基板面内におい
て、しきい値の分布が±１５〜２０％となってしまう。
また、レーザーアニール装置のレーザー光源の寿命は、
フライアイレンズが２枚の構成に比較して、５〜１０％
延ばすことができる。

【０２０１】

【発明の効果】本発明によって、半導体被膜を結晶化す
る際の量産性を向上させ、半導体被膜の結晶性の均一性
を高めることができる。

【０２０２】また、本発明は、焦点深度が大きく得られ
るため、特に凹凸の大きい膜( ±４００μm 以内の面)
に対しても、均質なレーザーアニールを可能とする。

【０２０３】本明細書で開示する発明は、半導体デバイ
スのプロセスに利用される全てのレーザー処理プロセス
に利用できるが、中でも半導体デバイスとしてＴＦＴを
作製する場合、ＴＦＴのしきい値電圧の基板面内におけ
る均一性を向上させ、さらには特性の均一性を向上させ
ることができる。

【０２０４】また、ＴＦＴのソース／ドレインの不純物
元素の活性化工程に本明細書で開示する発明を使用した
場合、ＴＦＴの電界効果移動度、あるいはオン電流の、
基板面内における均一性を高めることができる。

【０２０５】また、レーザーアニール装置において、複
眼状のフライアイレンズを用いることにより、縦拡大用
と横拡大用の２枚のフライアイレンズを用いる場合に比
較し、光量損失を減少させ、レーザービームのエネルギ
ーロスが大幅に減少して、エネルギー効率が向上し、良
好なレーザーアニール、シリコン膜の結晶化が可能とな
り、また、レーザー光源の長寿命化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例で使用するレーザーアニール装置の概
念図。

【図２】 光学系の例を示す図。

【図３】 光学系の例を示す図。

【図４】 レーザービームのエネルギー分布を示す図。

【図５】 線状に加工されたレーザー光の線幅方向（走
査される方向）におけるエネルギー密度の分布を示す
図。

【図６】 実施例の作製工程を示す図。

【図７】 レーザービームのエネルギー分布と焦点深度
の関係を概念的に示す図。

【図８】 複眼状フライアイレンズの例を示す図。

【図９】 実施例におけるレーザーアニールを行うため
の光学系の例を示す図。

【図１０】 実施例におけるレーザーアニールを行うた
めの光学系の例を示す図。

【図１１】 シリンドリカルレンズの作用を示す図。

【図１２】 線状レーザービームを用いてレーザー照射
する様子を示す図。

【図１３】 実施例における作製工程を示す図。

【図１４】 従来のレーザーアニール装置の光学系の例
を示す図。

【符号の説明】

１０１ ガラス基板 １０２ 下地酸化珪素膜 １０３ アモルファスシリコン膜 １０５ 島状シリコン領域 １０６ 酸化珪素膜 １０７ ゲイト電極 １０８ ソース １０９ ドレイン １１０ 酸化珪素膜 １１１ ソース電極・配線 １１２ ドレイン電極・配線 ６０１ ガラス基板 ６０２ 酸化珪素膜（下地膜） ６０３ 非晶質珪素膜 ６０４ 活性層（非晶質珪素） ６０５ 実質的な単結晶領域 ６０６ 活性層（実質的な単結晶珪素） ６０７ ゲイト絶縁膜 ６０８ ゲイト電極 ６０９ ソース領域 ６１０ チャネル形成領域 ６１１ ドレイン領域 ６１２ 層間絶縁膜 ６１３ ソース電極 ６１４ ドレイン電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F052 AA02 AA11 BA02 BA04 BA07 BB07 CA07 CA09 CA10 DA02 DB02 DB03 EA15 FA06 FA19 FA22 HA01 JA01 5F110 AA30 BB01 BB02 CC02 DD02 DD13 EE03 EE06 EE09 EE38 EE44 EE45 FF02 FF30 GG02 GG13 GG25 GG33 GG34 GG45 GG47 HJ01 HJ04 HJ12 HJ13 HJ18 HJ23 HL03 HL04 HL11 NN04 NN23 NN35 PP01 PP03 PP04 PP05 PP06 PP10 PP13 PP23 PP29 PP34 PP35 PP40 QQ09 QQ11 QQ24

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルスレーザー発振器と、 前記パルスレーザー発振器から照射されたレーザー光を
   拡大するためのビームエキスパンダと、 前記拡大されたレーザー光を分割拡大する複眼状のフラ
   イアイレンズと、 前記分割拡大されたレーザー光を線状に集光する第１の
   シリンドリカルレンズと、 前記線状に集光されたレーザー光の均質性を向上させる
   第２のシリンドリカルレンズと、 前記均質性が向上した線状レーザー光を走査する半導体
   膜上に集光する第３のシリンドリカルレンズと、を有す
   ることを特徴とする線状パルスレーザー光照射装置。
2. 【請求項２】 パルスレーザー発振器と、 前記前記パルスレーザー発振器から照射されたレーザー
   光を分割拡大する複眼状のフライアイレンズと、 前記分割拡大されたレーザー光を線状に集光する第１の
   シリンドリカルレンズと、 前記線状に集光されたレーザー光の均質性を向上させる
   第２のシリンドリカルレンズと、 前記均質性が向上した線状レーザー光を走査する半導体
   膜上に集光する第３のシリンドリカルレンズと、を有す
   ることを特徴とする線状パルスレーザー光照射装置。
3. 【請求項３】 パルスレーザー光をビームエキスパンダ
   によって拡大し、 前記拡大されたパルスレーザー光を複眼状のフライアイ
   レンズによって分割拡大し、 前記分割拡大されたパルスレーザー光をシリンドリカル
   レンズによって線状に集光し、 前記線状パルスレーザー光をシリンドリカルレンズによ
   って半導体膜上に集光して走査しながら照射することを
   特徴とする線状パルスレーザー光照射方法。
4. 【請求項４】 パルスレーザー光を複眼状のフライアイ
   レンズによって分割拡大し、 前記分割拡大されたパルスレーザー光をシリンドリカル
   レンズによって線状に集光し、 前記線状パルスレーザー光をシリンドリカルレンズによ
   って半導体膜上に集光して走査しながら照射することを
   特徴とする線状パルスレーザー光照射方法。
5. 【請求項５】 請求項３又は４において、 前記線状パルスレーザー光の前記半導体膜上における走
   査方向のエネルギー分布の形状は疑似台形状であり、 前記エネルギー分布は、最大エネルギーを１として、エ
   ネルギーが０．９５であるビーム幅をＬ１とし、エネル
   ギーが０．７０であるビーム幅をＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３とし
   たとき、０．５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ３≦
   Ｌ１を満たし、 Ｌ２は前記疑似台形状のエネルギー分布において、エネ
   ルギーが０．７０であるビーム幅のうち、前記疑似台形
   状のエネルギー分布の一方の側辺からの幅を示し、 Ｌ３は前記疑似台形状のエネルギー分布において、エネ
   ルギーが０．７０であるビーム幅のうち、前記疑似台形
   状のエネルギー分布の他方の側辺からの幅を示すもので
   あることを特徴とする線状パルスレーザー光照射方法。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記線状パルスレーザー光の前記半導体膜上における焦
   点深度は±４００μｍであることを特徴とする線状パル
   スレーザー光照射方法。
7. 【請求項７】 請求項５又は６において、 前記半導体膜上に集光するシリンドリカルレンズを調節
   して前記エネルギー分布を有する線状パルスレーザー光
   を得ることを特徴とする線状パルスレーザー光照射方
   法。