JP2007080894A - レーザ結晶化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の偏光方向によって結晶粒形に異方性が生じた場合であっても、ＴＦＴ特性の異方性を抑制できるＹＡＧ２ωレーザを用いたレーザ結晶化方法を提供する。
【解決手段】非晶質Ｓｉ膜１１に直線偏光のビーム光１３を照射してレーザアニールをすることにより、多結晶Ｓｉ膜１２を形成する。このとき、直線偏光の方向をスキャン方向２１に対して４５度を成す角度にする。多結晶Ｓｉ膜１２の結晶粒形の大きさは、スキャン方向２１とそれに垂直な方向で略同一になる。そのため、多結晶Ｓｉ膜１２を用いてＴＦＴを形成した場合に、スキャン方向２１のチャネルを有するＴＦＴと、スキャン方向２１に垂直な方向のチャネルを有するＴＦＴの移動度の差を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示デバイス等に用いられる薄膜トランジスタに関し、特に非晶質シリコンを結晶化するレーザ結晶化方法に関する。

現在、液晶パネルの画素部では、ガラス製又は合成石英製基板上の非晶質又は多結晶のシリコン膜（半導体膜）に形成された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）によるスイッチングにより、画像を構成している。

現在は、画素トランジスタを駆動するドライバ回路を、主として液晶パネルの外部に独立して設置しているが、液晶パネルに同時に構成することができれば、液晶パネルの製造コストや信頼性等の面で飛躍的なメリットを得ることができる。

しかし、現在は、ＴＦＴの能動層を構成するシリコン膜の結晶性が悪いために、キャリアの移動度に代表されるＴＦＴの性能が低く、高速性及び高機能性が要求される集積回路の作製は困難である。

そのため、高移動度のキャリアを有するＴＦＴを実現することを目的として、シリコン膜の結晶性を改善するために、レーザ光による熱処理（レーザアニール）が一般に行われている（例えば、非特許文献１参照）。

ここで、シリコン膜の結晶性とＴＦＴにおけるキャリア移動度との関係は以下のように説明される。

非晶質シリコン膜（非晶質半導体膜、ａ−Ｓｉ膜）をレーザアニールすることにより得られるシリコン膜は一般に多結晶体である。多結晶体の結晶粒界には結晶欠陥が局在しており、これがＴＦＴの能動層のキャリア移動を阻害する。

従って、ＴＦＴにおける移動度を高くするには、キャリアが能動層を移動中に結晶粒界を横切る回数を少なくし、かつ結晶欠陥密度を小さくすれば良い。

レーザアニールの目的は、結晶粒径が大きくかつ結晶粒界における結晶欠陥が少ない多結晶シリコン膜（多結晶Ｓｉ膜、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜）を形成することにある。

次に、従来のＴＦＴの製造方法を説明する。まず、例えばプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相蒸着法）により、ガラス基板上にシリコン酸化膜を形成する。このシリコン酸化膜上に例えばプラズマＣＶＤにより非晶質シリコン膜を堆積する。

次いでエキシマレーザ（ＸｅＣｌ（波長：３０８ｎｍ）、又はＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（以下ＹＡＧ２ωと称する。）（波長：５３２ｎｍ））を非晶質シリコン膜に照射する。このレーザ光の照射により、レーザ光が照射された部分が溶融する。その後、温度が低下するに従って溶融したシリコンが結晶化して、多結晶シリコン膜を形成する。

その後、多結晶シリコン膜をパターニングする。そして、多結晶シリコン膜上にシリコン酸化膜及び金属膜（Ｔａ、ＣｒおよびＭｏ等の低電気抵抗の金属膜）を形成する。

次いで金属膜をパターニングすることにより、ゲート電極を形成する。次に、ゲート電極又はゲート電極を形成した際のレジストをマスクとして、イオンドーピング法により多結晶シリコン膜にＮ型又はＰ型の不純物を導入して、ソース及びドレイン領域を自己整合的に形成する。

その後、シリコン酸化膜を堆積し、ソース、ドレイン、ゲート電極にコンタクトホールを形成し、金属膜（Ａｌ、Ｗ、Ｍｏなど）を堆積する。この金属膜をパターニングすることにより、ソース、ドレイン、ゲート電極の配線を行う。これによりＮ型の不純物を導入した部分にｎチャネル型トランジスタ（ＮＭＯＳ）の、Ｐ型不純物が導入された部分にｐチャネル型トランジスタ（ＰＭＯＳ）のＴＦＴが完成する。

さらに、このＴＦＴ上に絶縁膜、透明電極、液晶、偏光膜、カラーフィルタ等の膜を形成して液晶表示装置（ＴＦＴパネル）が完成する。

上記のエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）によるレーザ光照射では、一般的にはビームを例えば２５０ｍｍ×０．４ｍｍ（特開２００４−２１７１２４号公報：特許文献１）のサイズのスキャン方向に垂直の線状の形状にしている。そして、照射エネルギー密度がトップフラットのビームプロファイルになるようにビームを整形し、通常３００Ｈｚのパルスを重ね９５％即ち２０μｍピッチでビームを送ることによりａ−Ｓｉ膜を多結晶化する。

エキシマレーザによるレーザアニールでは、トップフラットの照射エネルギー密度のビームプロファイルで照射される上に、波長３０８ｎｍの光はａ−Ｓｉ或いはｐｏｌｙ−Ｓｉ内で吸収され易く、その浸透長は７ｎｍしか無い。そのため、Ｓｉ膜は表面のみで加熱され、膜厚方向の温度差ができやすい。

そこで、膜全体が完全に溶融せず、膜の底部に結晶核が残存する程度の照射エネルギー密度で照射し、膜の底部の結晶核から結晶を成長させる。照射エネルギー密度が高く完全に溶融させ結晶核が残存しなくなると、冷却時に過冷却状態となり、自然に核が形成される温度になると多数の核ができ、一気に固化するため、微結晶の集合体となってしまう。

従ってエキシマレーザは、照射エネルギー密度のマージンが狭い。さらに３０８ｎｍの光はｐｏｌｙ−Ｓｉ，溶融Ｓｉにより吸収率が変化しないため、既に大きな結晶ができていても、重ねて照射する際に、閾値以上の照射エネルギー密度の光を照射すると、上記のメカニズムで微結晶化してしまう。

薄膜トランジスタの良好な特性を得るために、結晶粒径を大きくしようとすると、照射エネルギー密度を高くする必要があるが、レーザ光の照射エネルギー密度のばらつきが上記閾値を超えると微結晶化してしまうため、結晶粒径はレーザ光の照射エネルギー密度のばらつきで規定されてしまい結晶粒径を余り大きくできない。

また、エキシマレーザではＸｅＣｌガスを放電ガスとして、これを放電させて放出される紫外線を利用する。しかし、放電ガスが反応性が高く寿命が短いため、頻繁にガス交換が必要な上、放電電極も腐食されるため、定期的な放電チャンバーの交換も必要である。

さらに、紫外線を用いるため、光学系に紫外光で分解した付着物が生じやすく、外気に晒される石英窓の交換が必要である。この様にエキシマレーザアニール装置は生産に用いる際その維持・保守に多大な労力、費用を要する。

一方、ＹＡＧ２ωレーザによるレーザアニールでは、エキシマレーザアニールの場合と同様に線状ビームで照射するが、ビームの短軸方向のビームプロファイルはガウス分布とし、ビームの最大照射エネルギー密度の部分では、膜が完全に溶融するようにする。

ＹＡＧ２ωレーザの波長５３２ｎｍでは、ｐｏｌｙ−Ｓｉの浸透長は８３０ｎｍと長く、薄膜のＳｉ膜内では余り減衰せず、膜は一様に加熱されるため、膜厚方向の温度差は生成されにくい。この様なビームを照射すると完全に溶融する部分とそうでない部分の境界部では、レーザ光照射後の冷却時に未溶融部分から既に溶融した部分に向かって結晶が横方向に成長し、０．５〜１μｍの大きい結晶ができる。

ＹＡＧ２ωレーザによるレーザアニールではビームを３μｍ以下の狭いピッチで送ることにより、この横方向成長でできた結晶を狭いピッチでしきつめていく。ＹＡＧ２ωレーザの５３２ｎｍの波長では、溶融Ｓｉに比較してｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率が低い。

このため、溶融が早く始まる結晶粒界の部分と結晶の内部で吸収率が異なるため、結晶サイズが大きくなると再度レーザ光を照射したときに結晶が再度溶融されにくい。このため、ＹＡＧ２ωレーザによるレーザ光照射では照射エネルギー密度が少々高くなっても、微結晶化することが無く、照射エネルギー密度のマージンはエキシマレーザより広い。

また、ＹＡＧ２ωレーザアニール装置では、消耗部分はＮｄ３＋：ＹＡＧの発振波長１０６４ｎｍを５３２ｎｍに変換する波長変換結晶のみであり、また、光学部品への付着物の発生も起こりにくく、その維持、保守はエキシマレーザアニール装置に比較すると遥かに容易である。

上記のＹＡＧ２ωレーザ光照射による結晶化において、多結晶膜を構成する結晶はレーザ光のビームプロファイルの傾斜の大きい方向に長くなりやすい。また、結晶は偏光の電界の方向にも長くなりやすい傾向がある。

ところが、照射後の結晶に異方性があると、その多結晶膜から作成されるＴＦＴの特性に異方性ができる。例えば、多結晶膜が１方向に細長い結晶から構成されている場合、その方向がＴＦＴのチャネル方向に一致すると、チャネルを横断する結晶粒界の数が少ないが、チャネル方向に垂直であればチャネルを横断する結晶粒界の数は多くなる。この違いは移動度の違いとなり、チャネル方向は結晶の長手方向に一致するＴＦＴは移動度が大きくなり、結晶の長手方向に垂直なトランジスタの移動度は小さくなる。

この様にＴＦＴの特性が方向により異なると、回路設計における制約となり望ましくない。即ち、設計の際にＴＦＴの配置を特性を考慮して行う必要性が発生する。また、ＴＦＴの方向を結晶の長手方向に常に一致させる様に設計すれば、常に良好な特性を得ることができるが、ＴＦＴのチャネル方向は１方向となるため、設計上の大きな制約になる。

この様な問題を解決するため、特開２００３−３４７２１０号公報（特許文献２）、或いは特開２００３−３４７２１１号公報（特許文献３）では、照射するレーザ光の偏光を線状のビームプロファイルの短軸方向に垂直な直線偏光或いは短軸方向に垂直な方向に長軸を持つ楕円偏光とすることが述べられている。

これは、ビームプロファイルの短軸方向が長軸方向よりも照射エネルギー密度のビームプロファイルの傾斜が大きくなり結晶が長くなりやすい傾向があるが、直線偏光の方向をこれに垂直とすることにより、この効果を緩和させようというものである。即ち光の電界の方向に結晶が伸びやすいことを利用して、ビームプロファイルの効果を打ち消すというものである。線状のビームプロファイルの長軸方向の楕円偏光とするのも同じ理由である。

Ｋ．Ｍｏｒｉｋａｗａ ｅｔ．ａｌ．，「Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｄ ｂｙ ａ ＹＡＧ２ω Ｌａｓｅｒ ａｎｄ ａｎ Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ」ＳＩＤ ０４ ＤＩＧＥＳＴ、ｐ１０８８（２００４） 特開２００４−２１７１２４号公報 特開２００３−３４７２１０号公報 特開２００３−３４７２１１号公報

しかしながら、ビームプロファイルの傾斜は照射エネルギー密度に依存する。照射エネルギー密度が低い場合は結晶の異方性は偏光により決定されるが、照射エネルギー密度が大きいと結晶の異方性は照射エネルギー密度の傾斜の方向に結晶が長くなる様になり、偏光に余り依存しなくなる。

従って、ビームプロファイルによる結晶の異方性と、偏光による結晶の異方性が打ち消し合うためには、照射エネルギー密度が制限される。

実際、送りピッチやＳｉ膜厚の特定の条件において適切なサイズの結晶ができる照射エネルギー密度では、結晶成長の方向依存性は、偏光の方向のみで一意的に決まってしまう。

そのため、ビームプロファイルによる結晶の異方性により偏光による結晶の異方性を打ち消すことができず、結晶粒形に異方性が生じてＴＦＴ特性の方向依存性を有する。

そこで、本発明の目的は、ＹＡＧ２ωレーザを用いたレーザ結晶化において、レーザ光の偏光方向によって結晶粒形に異方性が生じた場合であっても、ＴＦＴ特性の異方性を抑制できるレーザ結晶化方法を提供することである。

請求項１に記載の発明は、基板上に形成された非晶質半導体膜をレーザ光のスキャン照射により結晶化するレーザ結晶化方法であって、（ａ）前記レーザ光のスキャン方向に対して傾いた方向の直線偏光を有する前記レーザ光を生成する工程と、（ｂ）前記生成されたレーザ光を前記非晶質半導体膜にスキャン照射する工程と、を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、基板上に形成された非晶質半導体膜をレーザ光のスキャン照射により結晶化するレーザ結晶化方法であって、（ａ）円偏光を有する前記レーザ光を生成する工程と、（ｂ）前記生成されたレーザ光を前記非晶質半導体膜にスキャン照射する工程と、を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、基板上に形成された非晶質半導体膜をレーザ光のスキャン照射により結晶化するレーザ結晶化方法であって、（ａ）前記レーザ光のスキャン方向に対して長軸方向が傾いた楕円偏光を有するレーザ光を生成する工程と、（ｂ）前記生成されたレーザ光を前記非晶質半導体膜にスキャン照射する工程と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、レーザ光の偏光を直線偏光とし、その方向がスキャン方向に対して傾きを有しているので、結晶粒形はスキャン方向に対して傾いた方向に長くなる。

そのため、スキャン方向に垂直な方向の結晶粒形の大きさと、スキャン方向に平行な方向な結晶粒形の大きさの差を小さくできる。

その結果、チャネル方向がスキャン方向に形成されたＴＦＴと、スキャン方向と垂直の方向に形成されたＴＦＴとの間の特性の差を抑制できる。

請求項４に記載の発明によれば、レーザ光の偏光が円偏光としているので、スキャン方向に垂直な方向の結晶粒形の大きさと、スキャン方向に平行な方向な結晶粒形の大きさの差を小さくできる。

その結果、チャネル方向がスキャン方向に形成されたＴＦＴと、スキャン方向と垂直の方向に形成されたＴＦＴとの間の特性の差を抑制できる。

請求項５に記載の発明によれば、レーザ光の偏光を楕円偏光とし、その長軸方向がスキャン方向に対して傾きを有しているので、結晶粒形はスキャン方向に対して傾いた方向に長くなる。

そのため、スキャン方向に垂直な方向の結晶粒形の大きさと、スキャン方向に平行な方向な結晶粒形の大きさの差を小さくできる。

その結果、チャネル方向がスキャン方向に形成されたＴＦＴと、スキャン方向と垂直の方向に形成されたＴＦＴとの間の特性の差を抑制できる。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１に係るレーザ結晶化方法を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態１に係るレーザ結晶化方法は、図示しないガラス基板（以下、単に「基板」と称する場合がある。）上に形成された非晶質Ｓｉ膜１１をレーザ光１３のスキャン照射により結晶化するレーザ結晶化方法である。

そして、本実施の形態１に係るレーザ結晶化方法は、所定の偏光を有するレーザ光１３を生成する工程と、生成されたレーザ光１３を非晶質Ｓｉ膜１１にスキャン照射する工程を備えている。

以下、本実施の形態１に係るレーザ結晶化方法について詳細に説明する。
まず、基板上に下地ＳｉＯ₂膜を介してＰＥＣＶＤにより非晶質Ｓｉ膜１１を７０ｎｍの膜厚で形成し、４５０℃脱水素のアニールを行った。その後、以下の条件でレーザ光１３を非晶質Ｓｉ膜１１上に照射してレーザアニールを行い、多結晶Ｓｉ膜１２を形成することでレーザ結晶化を行った。

レーザ光１３は、半導体レーザにより励起されたＹＡＧ２ωレーザによる波長１０６４ｎｍの光を波長変換結晶で５３２ｎｍのレーザ光としたもので、Ｑスイッチにより、繰り返し１０００Ｈｚのパルス光としている。

そして、レーザ光１３は、ビーム成型光学系により幅４０μｍ、長さ５０ｍｍの均一な線状ビームとされている。そして、図１に示す様に非晶質Ｓｉ膜１１に照射して、線状のスポット１４と垂直な方向（スキャン方向２１）に基板上を一定のスキャンピッチでスキャンして非晶質Ｓｉ膜１１をレーザアニールしている。

このとき、照射部には高い純度のＮ₂（窒素）を吹き付けてＮ₂雰囲気でレーザ結晶化を行った。スキャンピッチは１パルスあたり２μｍとなる様に設定した。

このスキャンピッチは小さい程、偏光による結晶化の影響が現れやすいが、特に２μｍピッチである必要は無い。送りピッチが大きいと周期的に微結晶領域が現れる様になるが、この微結晶領域が残らないスキャンピッチであれば良い。

図２は、レーザアニール時のレーザ光１３のスキャン方向２１を示す上面図である。図２に示すように、スポット１４に垂直なスキャン方向２１の方向に、レーザ光１３を基板上にスキャン照射している。

図２において、ＴＦＴ２８は、スキャン方向２１と平行なチャネルの方向を有するＴＦＴを示し、ＴＦＴ２９はスキャン方向２１と垂直なチャネルの方向を有するＴＦＴを示している。

レーザ光１３の偏光は、直線偏光又は円偏光としている。図３は、スポット１４を上から見た場合のレーザ光１３の偏光の方向を説明するための図である。

直線偏光の方向は、図３に示すように、スポット１４を上から見て、電界の方向がスキャン方向２１に垂直方向の直線偏光２２（図３（ａ））、電界の方向がスキャン方向２１に一致する直線偏光２３（図３（ｂ））、電界の方向が、スキャン方向２１に対して４５度の角度２５を成す直線偏光２４（図３（ｃ））の３種類としている。

ここで、一般に、レーザ光１３は、レーザ発振器から発振された段階では無偏光であるため、直線偏光に変換する偏光子を通して直線偏光にする。

そして、直線偏光の方向を回転させるためにはλ／２板をその主軸が適当な方向になる様に設定して光路に入れれば良い。

図３（ｄ）は、円偏光２６の電界の方向を示している。円偏光２６を形成するには、通常λ／４板をその主軸が直線偏光と４５度を成すようにおいて通過させれば良い。

そして、それぞれ照射エネルギー密度を０．４５から０．６３Ｊ／ｃｍ²まで変えてレーザアニールを行った。照射エネルギー密度は、パルス当たりの照射エネルギーを半値幅で除して求めたものである。

なお、図３（ｅ）は、後述する楕円偏光２７とした場合のレーザ光１３の電界の方向を示す図である。

楕円偏光２７は、スキャン方向２１に対して４５度の角度２８としている。ここで、楕円偏光２７を形成するには、まず直線偏光化したレーザ光１３をλ／４板を通過させて楕円偏光化する。続いて、λ／２板を通過させることで、長軸方向がスキャン方向２１と４５度の角度２８を有する楕円偏光２７を形成できる。

図４は、レーザ光１３のビームプロファイルを示す図である。レーザ光の位置（横軸）対するレーザ光１３の照射エネルギー密度３１（縦軸）を示してる。ここで、図４において、横軸方向はスキャン方向２１としている。

ビームプロファイルは、図４に示すように、頂部がフラットな形状でスキャン方向２１では半値幅３２が５９μｍ、スキャン方向２１に垂直な方向の半値幅３３は５．１ｃｍの線状のビームである。また、ビームプロファイル頂部のフラットな部分の幅３４はスキャン方向２１で３０μｍである。

そして、レーザアニ−ルにより非晶質Ｓｉ膜１１を多結晶化した後は、その多結晶Ｓｉ膜１２を用いてＴＦＴ２８，２９を作成し、その特性を測定する。

前述したように、図２において、チャネルの方向がスキャン方向２１と一致するものをＴＦＴ２８、スキャン方向２１と直交するものをＴＦＴ２９とする。そして、ＴＦＴ２８，２９は、ｎチャネルの場合は、チャネル長さ５μｍ、幅１０μｍ、ｐチャネルの場合にはチャネル長さ５μｍ、幅２０μｍの寸法で形成されている。

図５は、以上のような条件で形成した多結晶Ｓｉ膜１２を用いてＴＦＴを形成し、レーザ光１３の照射エネルギー密度（横軸）に対する移動度（縦軸）の測定結果を示す図である。

また、図５は、レーザ光１３が直線偏光２２の場合のＴＦＴ２８，２９の移動度の測定結果を示す図である。

図５中、符号⊥は、スキャン方向２１に垂直方向に電流が流れるチャネルを持ったＴＦＴ２９、符号／／はスキャン方向２１に電流が流れるチャネルを持ったＴＦＴ２８の移動度の測定結果である。

図５からわかるように、ｎチャネル、ｐチャネルとも移動度は、チャネルがスキャン方向２１に垂直の場合の方が大きい傾向がある。特にｎチャネルでその傾向が強く２割以上大きい。

図６は、レーザ光１３が直線偏光２３の場合のＴＦＴ２８，２９の移動度の測定結果を示す図である。

図５の場合とは逆に、照射エネルギー密度が高い領域で、スキャン方向２１に電流が流れるチャネルを有するＴＦＴ２８の方が、スキャン方向２１に垂直方向に電流が流れるチャネルを有するＴＦＴ２９より移動度が大きいことが分かる。

図７は、図２のスキャン方向２１に対して４５度の角度２５を成す直線偏光２４のレーザ光１３でレーザアニールを行った場合のＴＦＴ２８、２９の移動度の測定結果を示している。

レーザ光１３の偏光を直線偏光２４とした場合には、ＴＦＴ２８，２９の移動度に差が少ないことが分かる。

さらに、図８は、図２に示す円偏光２６のレーザ光１３で照射した場合のＴＦＴ２８，２９の移動度の測定結果を示している。若干スキャン方向２１に垂直な方向に電流が流れるＴＦＴ２９の方が移動度が大きい傾向が見られるが、図５や図６の場合と比較して、その差は少ない。

本実施の形態に係るレーザ結晶化方法の第１の態様は、レーザ光１３の偏光をスキャン方向２１に対して傾いた方向の直線偏光２４にしている。

そのため、結晶粒形がスキャン方向２１に対して傾きを持った方向に長くなるので、スキャン方向２１に平行な方向と、スキャン方向２１に垂直な方向の結晶粒形の大きさの差が小さくなる。

その結果、スキャン方向２１に平行なチャネル方向を持つＴＦＴ２８とスキャン方向２１に垂直な方向のチャネル方向を持つＴＦＴ２９の移動度の差を小さくできる。

本実施の形態１に係るレーザ結晶化方法の第２の態様では、レーザ光の偏光を、円偏光にして前記非晶質半導体膜に照射している。

その結果、スキャン方向２１に平行なチャネル方向を持つＴＦＴ２８とスキャン方向２１に垂直な方向のチャネル方向を持つＴＦＴ２９の移動度の差を小さくできる。

ここで、ＴＦＴをガラス基板上に作成する場合、電流が流れる方向は通常基板の長辺に平行な方向か、短辺に平行な方向のどちらかである。また、レーザアニ−ルのスキャン方向２１も長辺方向のスキャンが、スキャンの往復数を少なくし、スキャン時間を短くする上で有利である。従って、上記の様にレーザ光１３の偏光を円偏光２６、スキャン方向２１に対して傾いた方向の直線偏光２４とすることで、ＴＦＴの特性のチャネル方向依存性を少なくできる。

また、図３には示されていないが、直線偏光でスキャン方向２１に４５度を成す偏光は対称な２方向がある。さらに円偏光も図３には示されていないが円偏光２６とは反対の回転方向の偏光も存在する。これら何れの場合も対称性から考えて、ＴＦＴ特性のチャネル方向依存性が少なくなることは明白である。

なお、図３に示した楕円偏光２７は、円偏光２６と直線偏光２４の組み合わせである。そのため、円偏光２６、直線偏光２４の結果から容易に推測できるように、スキャン方向２１に対して長軸方向が４５度の角度２８で傾いた楕円偏光２７の場合も、ＴＦＴ特性のチャネル方向への依存性を少なくできる。

図９は、図３の偏光に対応したレーザ光１３を非晶質Ｓｉ膜１１に照射することにより多結晶化し、いわゆるＳｅｃｃｏエッチにより粒界部をエッチングした後にＳＥＭ観察を行って、多結晶Ｓｉ膜１２の粒界部のみを抽出した図である。

図９（ａ）はスキャン方向２１の直線偏光２３、図９（ｂ）はスキャン方向２１に垂直方向の直線偏光２２、図９（ｃ）はスキャン方向２１と４５度を成す直線偏光２４、図９（ｄ）は円偏光２６、図９（ｅ）はスキャン方向２１と４５度を成す方向に長軸を持つ楕円偏光２７で、その長軸短軸の偏光強度の比は２：１である。

ビームプロファイルは、図９（ａ）〜（ｃ）では、図４に示すように頂部がフラットなプロファイルでスキャン方向２１の半値幅１００μｍ、スキャン方向２１でのフラットな頂部部幅は４２μｍである。

また図９（ｄ）、（ｅ）のビームプロファイルも図４に示す頂部がフラットな形状でスキャン方向２１では半値幅３２が５４μｍの線状のビームであり、フラットな頂部幅はスキャン方向２１で３５μｍである。

図９（ａ）〜（ｃ）では直線偏光の方向に結晶粒が長くなっていることが分かる。円偏光２６、惰円偏光２７の図９（ｄ），（ｅ）は結晶粒の方向性が明確には見られない。

次に、図９（ａ）〜（ｅ）の粒子径解析を行った結果を図１０に示す。図１０は、粒子（結晶粒）の外径を示すフェレ径のスキャン方向２１及びスキャン方向２１に対して垂直方向（スキャン垂直方向）の平均値、スキャン方向２１とスキャン垂直方向の比の関係を示す図である。

図１０に示すように、図９（ａ），（ｂ）については結晶粒形の異方性は大きいが、スキャン方向２１に対して４５度の角度に偏光した直線偏光２４、円偏光２６、惰円偏光２７についてはフェレ径の比を見ても分かる様に結晶粒形の異方性は小さい。

直線偏光２４、或いはスキャン方向２１に４５度の長軸の楕円偏光２７の場合は、図からは明らかにスキャン方向２１に４５度を成す角度に異方性が見られるが、スキャン方向２１及びスキャン方向２１に垂直方向で見ると異方性は見かけ上見えなくなっている。

また、ＹＡＧ２ωレーザ照射後の表面の凹凸を見ると、直線偏光２４では偏光に垂直方向のうねりが発生する傾向がある。一方、円偏光２６や楕円偏光２７では、スキャン方向２１に垂直方向のうねりが発生する。

そして、スキャン方向２１の直線偏光２３、及びスキャン方向２１に垂直方向の直線偏光２２より、円偏光２６や楕円偏光２７及びスキャン方向２１に４５度を成す直線偏光２４の方が表面粗さが小さくなる傾向も見られた。

本実施の形態１に係るレーザ結晶化方法では、レーザ光の偏光を、円偏光にして非晶質Ｓｉ膜１１に照射している。

その結果、スキャン方向２１に平行なチャネル方向を持つＴＦＴ２８とスキャン方向２１に垂直な方向のチャネル方向を持つＴＦＴ２９の移動度の差を小さくできるとともに、実施の形態１の第１態様に比べて表面粗さを小さくできる。

また、本実施の形態１に係るレーザ結晶化方法の第３態様では、レーザ光の偏光を、長軸方向が前記レーザ光のスキャン方向２１に対して傾いた楕円偏光２７にして、レーザ光１３を非晶質Ｓｉ膜１１に照射している。

その結果、スキャン方向２１に平行なチャネル方向を持つＴＦＴ２８とスキャン方向２１に垂直な方向のチャネル方向を持つＴＦＴ２９の移動度の差を小さくできるとともに、実施の形態１の第１態様に比べて表面粗さを小さくできる。

さらに、上記の様に細長い結晶粒が形成される場合、その長軸の傾きをθとすると、θが４５度からずれるとＸ、Ｙ方向の結晶のサイズの比は変化する。直線偏光で４５度傾けた図９（ｃ）の場合、θが変化したときの（スキャン方向２１のフェレ径／スキャンに垂直方向のフェレ径）を計算した結果を図１１に示す。フェレ径比は粒界の密度に反比例すると考えられる。

ここで、フェレ径の比が±１０％以内を等方的と考えるとθは４５度から±５度以内であれば良いことになる。

本実施の形態に係るレーザ結晶化方法によれば、レーザ光１３の偏光を、レーザ光１３のスキャン方向２１に対して４０度以上５０度以下の角度に傾けている。

そのため、フェレ径の比を±１０％以内に抑えることができる。その結果、スキャン方向２１に平行なチャネル方向を持つＴＦＴ２８とスキャン方向２１に垂直な方向のチャネル方向を持つＴＦＴ２９の移動度の差を小さくできる。

楕円偏光の場合も同様に長軸方向をレーザ光１３のスキャン方向に対して４０度以上５０度以下の角度に傾けることで、フェレ径比を±１０％以内に抑えることができる。

さらに、本実施の形態に係るレーザ結晶化方法によれば、レーザ光１３の偏光を、レーザ光１３のスキャン方向２１に対して４５度の角度に傾けている。

そのため、スキャン方向２１に平行な方向と、スキャン方向２１に垂直な方向の結晶粒形の大きさを等しくできる。

その結果、スキャン方向２１に平行なチャネル方向を持つＴＦＴ２８とスキャン方向２１に垂直な方向のチャネル方向を持つＴＦＴ２９の移動度の差を最も小さくできる。

なお、本実施の形態１に係るレーザ結晶化方法ではＹＡＧ２ωレーザを用いたが、これに限るものではない。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波、Ｎｄ：ガラスレーザの第２高調波、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｙｂ：ガラスレーザの第２高調波、Ａｒイオンレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザの第２高調波など波長が３９０ｎｍから６４０ｎｍの範囲のレーザ光であれば良い。

＜実施の形態２＞
実施の形態１に係るレーザ結晶化方法では、レーザ光１３（図１参照）の偏光を１方向の直線偏光２４（図３参照）のみとしたが、本実施の形態２に係るレーザ結晶化方法では、レーザ光１３の偏光を２方向の直線偏光の重ね合わせで構成する。

その他の構成は、実施の形態１と同様であり、重複する説明は省略する。

図１２は、本実施の形態２に係るレーザ結晶化方法において用いられるレーザ光１３の偏光を説明するための図である。

図１２（ａ）のレーザ光１３は、スキャン方向２１（図１，２参照）に垂直な方向の直線偏光９１ａと平行な方向の直線偏光９１ｂにより構成されている。そして、直線偏光９１ａ，９１ｂは光強度が等しくなっている。

この様に、レーザ光１３の偏光が２つの直交する直線偏光９１ａ，９１ｂを重ね合わせた偏光である場合、それぞれの偏光の光強度が等しければ、偏光は結晶成長の異方性を生じる要因にはならない。

しかし、図１２（ｂ）の場合の様に、２つの直線偏光９２ａ，９２ｂの成分が異なる場合には、偏光を原因とした結晶成長に異方性が発生する。例えば、図１２（ｂ）の場合にはスキャン方向２１に結晶が長くなる傾向が現れ、作成したＴＦＴの特性はこの方向の移動度が高く、これに垂直な方向の移動度は低くなる。

この様な場合には、図１２（ｃ）に示す様に、レーザ光１３の２つの直線偏光９３ａ，９３ｂの方向がスキャン方向２１に対し、４５±５度の角度９４となる様に偏光の方向を４５度又は−４５度回転させれば良い。

この様にすれば、スキャン方向２１に対して４５度を成す方向に長い結晶ができるが、実施の形態１と同様に、図２に示すようなチャネルの方向を有するＴＦＴ２８，２９の特性をほぼ等しくすることができる。

以上説明したように、レーザ光１３の偏光を、スキャン方向２１に対して傾いた直線偏光９３ａと別の直線偏光９３ｂの重ね合わせにすることで、結晶粒のスキャン方向２１の長さとスキャン方向２１に垂直な方向の長さがほぼ等しくなるため、ＴＦＴ２８，２９の移動度をほぼ等しくできる。

また、別の方法として、図１２（ｄ）に示す様に円偏光化しても良い。通常λ／４板をその主軸が直線偏光と４５度を成すようにおいて通過させれば、偏光９２ａ，９２ｂは、回転方向が異なる２つの円偏光９５ａ，９５ｂの重ね合わせにとすることができる。この様にすれば、等方的な結晶粒ができる。その結果、ＴＦＴ２８，２９間の移動度をほぼ等しくできる。

さらに別の方法として、図１２（ｅ）に示す様に、レーザ光１３の偏光を、回転方向の異なる２つの楕円偏光９６ａ，ｂの重ね合わせとし、図１２に示すように、その長軸の方向の角度９７をスキャン方向２１と４５±５度となる様に設定しても良い。

ここで、直線偏光９２ａ，９２ｂを楕円偏光９６ａ，９６ｂとするにはλ／４板を通過させて楕円偏光化し、そして、その長軸の方向をスキャン方向２１と４５度を成すようにするにはλ／２板を用いて回転させれば良い。

この様にすると、強度の強い楕円偏光９６ｂの長軸方向に結晶が長くなる傾向が現れるが、スキャン方向２１と４５度を成すため、図２に示すチャネル方向を有するＴＦＴ２８，２９は、この結晶の長手方向に対して対称になりその特性は等しくなる。

本実施の形態に係るレーザ結晶化方法によれば、レーザ光１３が２つの直線偏光の組み合わせであって、それぞれの直線偏光の強度に差がある場合であっても、スキャン方向２１に対して４５度の角度に傾斜した２つの直線偏光、又は円偏光、若しくは、長軸方向がスキャン方向２１に対して４５度の角度に傾斜した楕円偏光に変換してレーザ照射を行っているので、ＴＦＴ２８，２９の特性の差を抑制することができる。

なお、容易に推測できるように、レーザ光１３の偏光を、スキャン方向２１に対して傾斜した直線偏光と、円偏光を重ね合わせとしても、ＴＦＴ２８，２９の特性の差を抑制できる。

さらに、レーザ光１３の偏光を、スキャン方向２１に対して傾斜した直線偏光と、スキャン方向２１に対して傾斜した長軸方向の楕円偏光の重ね合わせとしても、ＴＦＴ２８，２９の特性の差を抑制できる。また、レーザ光１３の偏光を、スキャン方向２１に対して傾斜した長軸方向の楕円偏光と円偏光の重ね合わせとしても、ＴＦＴ２８，２９の特性の差を抑制できる。

ここで、レーザ光１３の偏光をスキャン方向２１に対して傾斜した直線偏光と、円偏光の重ね合わせとするには、直線偏光のレーザ光１３と円偏光のレーザ光１３をそれぞれ用意し、２つのレーザ光１３を重ね合わせることで形成できる。その他の組み合わせについても同様である。

実施の形態１に係るレーザ結晶化方法を説明するための図である。 実施の形態１に係るレーザ光のスキャン方向を示す図である。 実施の形態１に係るレーザ光の偏光方向を示す図である。 実施の形態１に係るレーザ光のビームプロファイルを示す図である。 実施の形態１に係るＴＦＴの移動度の測定結果を示す図である。 実施の形態１に係るＴＦＴの移動度の測定結果を示す図である。 実施の形態１に係るＴＦＴの移動度の測定結果を示す図である。 実施の形態１に係るＴＦＴの移動度の測定結果を示す図である。 実施の形態１に係る結晶粒の分布を示す図である。 実施の形態１に係るレーザ光の偏光の角度とフェレ径の比の関係を示す図である。 実施の形態１に係るレーザ光の偏光の角度とフェレ径比の関係を示す図である。 実施の形態２に係るレーザ光の偏光方向を示す図である。

符号の説明

１１ 非晶質Ｓｉ膜、１２ 多結晶Ｓｉ膜、１３ 照射レーザ光、１４ スポット、２１ スキャン方向、２２，２３，２４ 直線偏光、２６ 円偏光、２７ 楕円偏光。

Claims (9)

1. 基板上に形成された非晶質半導体膜をレーザ光のスキャン照射により結晶化するレーザ結晶化方法であって、
   （ａ）前記レーザ光のスキャン方向に対して傾いた方向の直線偏光を有する前記レーザ光を生成する工程と、
   （ｂ）前記生成されたレーザ光を前記非晶質半導体膜にスキャン照射する工程と、
   を備えることを特徴とするレーザ結晶化方法。
2. 前記工程（ａ）は、前記直線偏光の方向を、前記レーザ光のスキャン方向に対して４０度以上５０度以下の角度に傾ける工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ結晶化方法。
3. 前記工程（ａ）は、前記直線偏光の方向を、前記レーザ光のスキャン方向に対して４５度の角度に傾ける工程を含むことを特徴とする請求項２に記載のレーザ結晶化方法。
4. 基板上に形成された非晶質半導体膜をレーザ光のスキャン照射により結晶化するレーザ結晶化方法であって、
   （ａ）円偏光を有する前記レーザ光を生成する工程と、
   （ｂ）前記生成されたレーザ光を前記非晶質半導体膜にスキャン照射する工程と、
   を備えることを特徴とするレーザ結晶化方法。
5. 基板上に形成された非晶質半導体膜をレーザ光のスキャン照射により結晶化するレーザ結晶化方法であって、
   （ａ）前記レーザ光のスキャン方向に対して長軸方向が傾いた楕円偏光を有するレーザ光を生成する工程と、
   （ｂ）前記生成されたレーザ光を前記非晶質半導体膜にスキャン照射する工程と、
   を備えることを特徴とするレーザ結晶化方法。
6. 前記工程（ａ）は、前記楕円偏光の長軸方向を、前記レーザ光のスキャン方向に対して４０度以上５０度以下の角度に傾ける工程を含むことを特徴とする請求項５に記載のレーザ結晶化方法。
7. 前記工程（ａ）は、生成される前記レーザ光の偏光を、前記レーザ光のスキャン方向に対して傾いた別の直線偏光との重ね合わせにする工程を備えることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のレーザ結晶化方法。
8. 前記工程（ａ）は、生成される前記レーザ光の偏光を、別の円偏光との重ね合わせにする工程を備えることを特徴とする請求項４又は５に記載のレーザ結晶化方法。
9. 前記工程（ａ）は、生成される前記レーザ光の偏光を、長軸方向が前記楕円偏光と直交する別の楕円偏光との重ね合わせにする工程を備えることを特徴とする請求項５に記載のレーザ結晶化方法。
   

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