JP2008091509A - レーザアニール技術、半導体膜、半導体装置、及び電気光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非結晶半導体膜を全面高結晶化することができ、非結晶半導体膜を略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜とすることも可能なレーザアニール技術を提供する。
【解決手段】非結晶半導体からなる被アニール半導体膜に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施する。このとき、被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、レーザアニールを実施する。
【選択図】図９

Description

本発明は、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜に対してレーザアニールを実施するレーザアニール方法及びレーザアニール装置に関するものである。
本発明はまた、上記レーザアニール方法により製造された半導体膜、この半導体膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の半導体装置、及びこの半導体装置を用いた電気光学装置に関するものである。

エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）装置や液晶装置等の電気光学装置では、アクティブマトリクス型の駆動方式が広く採用されている。アクティブマトリクス型では多数の画素電極がマトリクス状に配置され、これら画素電極は例えば各画素電極に対応して設けられた画素スイッチング用ＴＦＴを介して駆動される。

上記電気光学装置では、同じ基板上に、上記の画素電極と画素スイッチング用ＴＦＴとがマトリクス状に多数形成された画素部と、この画素部を駆動する、複数の駆動回路用ＴＦＴを用いて構成された駆動回路を備えた駆動部とが設けられる場合がある。

ＴＦＴの活性層には、非結晶又は多結晶のシリコン膜が広く使用されている。キャリア移動度等の素子特性を考慮すれば、活性層をなすシリコン膜は結晶性が高いことが好ましい。特に、駆動回路用ＴＦＴでは、活性層をなすシリコン膜は結晶性が高いことが好ましい。

ポリシリコンＴＦＴの製造においては例えば、はじめに非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）膜を成膜し、この膜にレーザ光を照射してアニールすることにより多結晶化するレーザアニールが行われている。現在、レーザ光としてはエキシマレーザ光が広く用いられている（ＥＬＡ法）。エキシマレーザ光は３０８ｎｍ以下の紫外域のパルス発振レーザ光であり、ＥＬＡ法により生成される多結晶は通常、結晶粒径の小さい粒状結晶である。これは、シリコン膜の結晶質によらず、シリコン膜に吸収されるエキシマレーザ光の吸収率が大きく、シリコン膜の表面でエネルギーが大きく吸収されて、膜厚方向に大きな温度分布が生じるため、膜厚方向に結晶が成長して横方向にはほとんど成長しないためと考えられている（特許文献２の段落０００５，００３６等）。

３５０ｎｍ以上の波長域の連続発振レーザ光を用いて、非結晶シリコン膜に対してレーザ光を相対走査しながら照射することで、相対走査方向に延びる結晶粒径の大きいラテラル結晶を成長させることができる（特許文献２の段落０００６等）。

発振波長３５０ｎｍ以上の現状の連続発振レーザ光を用いたレーザヘッドでは、ラテラル結晶成長が可能なアニールエネルギーを与えられるビームスポットの幅は、最大でも１０ｍｍ程度である。基板平面をｘｙ平面とし、レーザ光の主相対走査方向をｘ方向、副相対走査方向をｙ方向とする。基板上に形成された広面積の非結晶シリコン膜を全面アニールするには、あるｙ位置でｘ方向の相対走査を実施した後、ｙ位置を変えてｘ方向の相対走査を実施するという操作を繰り返す必要がある。通常は、ｙ位置をずらしてｘ方向のレーザ光の相対走査を行う際には、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザ光の相対走査が行われる。

ｙ位置を変えずにｘ方向のレーザ光の相対走査を１回だけ行った場合、ラテラル結晶の生成領域の外側に、結晶粒の小さい粒状結晶が生成される（本明細書の図１を参照）。これは、レーザ光のビームプロファイルをいかに制御しても、レーザ光の照射領域の周囲に熱が拡散するため、ラテラル結晶成長に必要な表面温度には達しないが、粒状結晶化するに足りる表面温度となる領域が生じるためである。レーザ光が直接照射される領域内の端部、及び／又はレーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域）に、粒状結晶（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）が生成される。

次にｙ位置をずらしてｘ方向のレーザ光の相対走査を行う際に、粒状結晶部分に重ねてレーザ光を照射することで、先に生成された粒状結晶をラテラル結晶化させることができると考えられる。しかしながら、３５０ｎｍ以上の波長域では、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）と多結晶シリコンである粒状結晶（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）とはレーザ光の吸収率が異なるため、同じレーザ光の照射条件では、粒状結晶の温度がラテラル結晶化に必要な温度に達しない恐れがある。また、粒状結晶を種結晶として、所望しない方向にラテラル結晶が成長し、ラテラル結晶の成長方向が不均一になる恐れもある。

粒状結晶を所望の成長方向のラテラル結晶とすることができたとしても、ラテラル結晶の生成領域の外側には、やはり結晶粒の小さい粒状結晶が生成されてしまい、粒状結晶をなくすことはできない。また、せっかく成長したラテラル結晶部分に対して再度レーザ光が照射されると、ラテラル結晶部分が再融解して、その結晶性が変化してしまう恐れもある。

粒状結晶部分は粒界が多く電流特性が良くないため、粒状結晶部分を避けて、ＴＦＴを形成する必要がある。そのため、現状では、ＴＦＴの形成位置の設計情報に基づいて、レーザ光のビーム端部とＴＦＴの素子形成領域とが重ならないようレーザ光を走査する、あるいはＴＦＴの素子形成領域にのみレーザ光を選択的に照射するなどの工夫が必要である。

特許文献１には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）あるいはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）等を用いてラテラル結晶成長を行うことが記載されており、好適なラテラル結晶成長条件が記載されている。好適なラテラル結晶成長条件として、レーザ光ビーム径：走査方向に２〜１０μｍ、走査速度：３００〜１０００ｍｍ／ｓ、レーザ光ビーム径が３μｍのときの出射パワー密度：０.４〜２.４ＭＷ／ｃｍ^２が記載されている（請求項４，８，段落００３７等）。特許文献１では、ＴＦＴの素子形成領域にのみレーザ光を選択的に照射するようにしている（図８等）。

特許文献２には、非結晶シリコン膜に対して、固体レーザであるＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）等の可視パルスレーザ光（波長３５０ｎｍ以上）と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波よりも波長の短い高調波等の紫外パルスレーザ光（３５０ｎｍ未満）とを、これらの照射領域が部分的に重なるようにして、同時に照射及び走査するレーザアニール方法が記載されている（請求項１，３，段落００１１，００４５，図７等）。

特許文献２には、可視光パルスレーザの照射によりラテラル結晶の生成領域の外側に生成される粒状結晶を、紫外パルスレーザ光の照射により非結晶化することができ、位置をずらした可視パルスレーザ光の再照射により紫外パルスレーザ光の照射により非結晶化した部分をラテラル結晶化することができ、全体として結晶性の高いシリコン膜が得られることが記載されている（段落００６６，図２０等）。

特許文献３には、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波（波長５２４または５２７ｎｍ）の非結晶シリコンの吸収率は結晶シリコンのそれより１桁以上大きく、かかる波長のレーザ光を用いることで、結晶シリコンより非結晶シリコンに優先的にレーザ光が吸収され、非結晶シリコンを優先的に融解させ結晶化させることができ、結晶性の高いシリコン膜が得られることが記載されている（段落００２０等）。

特許文献４には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）等の３９０〜６４０ｎｍの波長域のレーザ光を用いる場合には、多結晶シリコンにおける吸収率が非結晶シリコンの吸収率よりも小さいため、非結晶シリコン膜にレーザ光が照射されて生成された多結晶シリコンにレーザ光を再度照射しても、生成された多結晶シリコンは融解することはなく、その特性はレーザ光の再照射によってあまり大きくは変化しないことが記載されている（段落００１０）。しかしながら、従来の課題として、多結晶シリコンである結晶粒の小さい粒状結晶におけるレーザ光の吸収率も低下するため、結晶粒の小さい粒状結晶の結晶性を向上させることはできず、人の目には微妙に重ね領域が認識されることが記載されている（段落００４２）。

そこで、特許文献４では、３９０〜６４０ｎｍの波長域のレーザ光を用いるレーザアニールにおいて、下記（１）〜（５）のいずれかの構成を採ることが提案されている。

（１）特許文献４では、ＴＦＴとして充分なキャリア移動度が得られる範囲内で、照射エネルギー密度を極力低い範囲に設定することが提案されている（段落００４３）。具体的には、キャリア移動度とレーザ出力との関係において、最大のキャリア移動度をもたらすレーザ出力に対して８０％以上の移動度が得られるレーザ出力の下限の値をＥlow、上限の値をＥhighとして、Ｅlow≦Ｅ≦（Ｅhigh＋Ｅlow）／２を満足するレーザ出力Ｅとすることが提案されている（請求項１）。

特許文献４には、ＴＦＴとして充分なキャリア移動度が得られる範囲内で、最大のキャリア移動度をもたらすレーザ出力よりも敢えてレーザ出力を落とすことにより、第１スキャンの端の領域に生成される多結晶シリコン、すなわち粒状結晶の結晶粒径を小さくでき、第２スキャンにおいて、粒状結晶を容易に再融解し、結晶性を向上させることができることが記載されている（段落００４８）。

（２）特許文献４では、光ビーム端の傾斜領域の長さＬを短く設定し、好ましくは３ｍｍ以下とすることが提案されている（請求項３、段落００４３）。特許文献４には、かかる構成によって、第１スキャンの傾斜領域内の多結晶化領域、すなわち粒状結晶の生成領域を小さくすることができ、重ね領域の特性劣化を目立たなくすることができることが記載されている（段落００５０）。

（３）特許文献４では、光ビーム端の傾斜領域における第２スキャンのレーザ光強度を第１スキャンに比べ増大させることが提案されている（請求項５、段落００４３）。かかる構成では、第１スキャンの端の領域に対し、第２スキャンではより光強度の高いビームが照射されるので、粒状結晶を容易に再融解し、結晶性を向上させることができることが記載されている（段落００５２）。

また、（３）の構成において、基板ステージの所定領域に反射膜を形成し、基板ステージからレーザ光の重ね合わせ領域にレーザ光を反射させることで、第１スキャンの端の領域に対して第２スキャンでより光強度の高いビームを照射する態様が記載されている（請求項９，１０、段落００５４，００５６、図１５，１７）。

特許文献５には、非結晶シリコンに対して、非結晶シリコンの吸収係数が５×１０^３/ｃｍ以上である波長の第１のレーザ光と、非結晶シリコンの吸収係数が５×１０^２/ｃｍ以下であり、かつ融解状態の非結晶シリコンの吸収係数が５×１０^３/ｃｍ以上である波長の第２のレーザ光とを同時に重ねて照射することが提案されている（請求項１）。例えば、第１のレーザ光としてＹＡＧレーザ等の固体レーザの高調波を用い、第２のレーザ光として同固体レーザの基本波を用いることが記載されている（段落００４４，００８４）。かかる構成では、第２のレーザ光は通常のシリコンには吸収されないが、第１のレーザ光の照射により融解した部分にはよく吸収されるので、ビームプロファイルを平らにすることができ、粒状結晶の生成領域を小さくし、ラテラル結晶領域を大きくできることが記載されている（段落００１５，００１６，００８４，図１（ｂ））。
特開2005-217209号公報 特開2005-72183号公報 特開2004-152978号公報 特開2005-259809号公報 特開2004-297055号公報

特許文献２〜５に記載のレーザアニール技術ではいずれも、非結晶シリコンのレーザ光の波長に対する吸収特性と、多結晶シリコンのレーザ光の波長に対する吸収特性とが異なることに着目して、種々の工夫を行っている。

例えば、特許文献５の図５（ａ），（ｂ）（顕微鏡写真）には、特許文献５に記載のレーザアニール方法を採用することで、ラテラル結晶の領域を広くできることが示されている。しかしながら、特許文献５の図５（ａ），（ｂ）には、依然としてラテラル結晶の外側に粒径の小さい粒状結晶が生成されていることが示されている。

特許文献２の段落０００９には、略全面ラテラル結晶化が可能であると記載されている。しかしながら、特許文献２の図８、図１３、及び図１４等を参照すれば、大目に見ても、この方式から主走査方向に対してラテラル結晶化させることができるが、副走査方向には必ず粒状結晶領域若しくは非結晶領域が発生すると考えられる。

この方式では、矩形状ビームをパルス照射していくため、矩形状ビームを重ねながら不連続に照射することになる。そのため、矩形状ビームの周囲に沿って、主走査方向及び副走査方向の双方にラテラル結晶にならない粒状結晶領域若しくは非結晶領域が形成されると考えられる。そして、矩形状ビームの周囲に沿って、主走査方向及び副走査方向の双方に形成された粒状結晶領域若しくは非結晶領域は、位置をずらしたレーザアニールを実施しても、そのすべてを再アニールすることはできず、副走査方向には必ず粒状結晶領域若しくは非結晶領域が発生することとなる。

また、特許文献２では、粒状結晶部分をアモルファス化するため、図１３に示されているように、高い照射エネルギーが必要である。かかる高エネルギー照射では、ラテラル結晶も再融解して、粒状結晶化するなどの不都合が生じると考えられる。

すなわち、従来技術では、主走査方向にはラテラル結晶化ができても、副走査方向に見れば、つなぎ目に粒状結晶部分等が残ることを回避することはできなかった。また、仮につなぎ目に粒状結晶部分等を残さないことを実現できたとしても、つなぎ目をなくすことは到底不可能であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、非結晶半導体膜を略全面高結晶化することができ、非結晶半導体膜を、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜とすることも可能なレーザアニール技術を提供することを目的とするものである。
本発明はまた、上記レーザアニール技術を用いることにより、結晶性が高く、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層等として好適な半導体膜、これを用いたＴＦＴ等の半導体装置及び電気光学装置を提供することを目的とするものである。

本発明のレーザアニール方法は、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施するレーザアニール方法において、
前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とするものである。

粒状結晶は、レーザ光が直接照射される領域内の端部に生成される場合と、レーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域）に生成される場合と、これらの領域の双方に生成される場合とがある。

本明細書において、「レーザアニール」には、レーザ光が直接照射される領域のアニールと、レーザ光は直接照射されないが熱が伝導して結晶状態が変化する領域のアニールとが含まれるものとする。

本発明のレーザアニール装置は、単数又は複数のレーザ光発振源を搭載したレーザヘッドを備え、
非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施するレーザアニール装置において、
前記レーザ光の照射条件は、前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件に設定されていることを特徴とするものである。

本発明のレーザアニール装置は、前記被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらして前記レーザアニールを再度実施する際には、先に前記レーザ光が照射された領域と次に前記レーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、前記レーザアニールを実施するものであることが好ましい。

前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜である場合、前記レーザ光の照射条件は、前記ラテラル結晶部分、前記粒状結晶部分、及び前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収率が、下記式（１）及び（２）の関係を充足する条件に設定されていることが好ましい。
０．８２≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１）、
ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）

「シリコン膜」はシリコンを主成分とする膜である。本明細書において、「主成分」は含量５０質量％以上の成分と定義する。ＴＦＴ用のシリコン膜ではシリコン含量９０質量％以上が好ましい。

前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜である場合、前記レーザ光の照射条件は、前記被アニール半導体膜の膜厚ｔ（ｎｍ）と前記レーザ光の波長λ（ｎｍ）とが下記式（３）を充足する条件に設定されていることが好ましい。
０．８ｔ＋３２０≦λ≦０．８ｔ＋４００・・（３）

本発明のレーザアニール装置において、前記レーザ光発振源は、発振波長が３５０〜５００ｎｍの波長域にある半導体レーザであることが好ましい。前記レーザ光発振源としては、ＧａＮ系半導体レーザ又はＺｎＯ系半導体レーザが好ましい。

本発明のレーザアニール装置において、前記被アニール半導体膜に対して、前記レーザ光を部分的に照射しつつ該レーザ光を相対走査する相対走査手段を備えられていることが好ましい。

本発明の第１の半導体膜は、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜に対して、上記の本発明のレーザアニール方法を実施して製造されたものであることを特徴とするものである。
本発明の第１の半導体膜は、パターニングされる前のものでもパターニングされた後のものでもよい。本発明の第１の半導体膜によれば、略全面がラテラル結晶からなる半導体膜を提供することができる。
本発明の第２の半導体膜は、基板上に形成されたパターニングされていない半導体膜において、略全面がつなぎ目のないラテラル結晶膜であることを特徴とするものである。

本発明のレーザアニール方法によれば、基本的には粒状結晶部分のない全面ラテラル結晶化が可能であるが、レーザアニール開始時と終了時に生成される粒状結晶に対しては、再度のレーザアニールが実施されない部分が生じるため、この部分の粒状結晶は残ってしまう。基板全体から見ればこの粒状結晶の量は僅かである。
「半導体膜が略全面ラテラル結晶からなる」とは、レーザアニール開始時と終了時に生成され、再度のレーザアニールが実施されずに残る粒状結晶を除いた部分がすべて、ラテラル結晶からなることを意味する。

本発明の半導体装置は、上記の本発明の半導体膜を用いて得られた活性層を備えたことを特徴とするものである。本発明の半導体装置としては、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等が挙げられる。
本発明の電気光学装置は、上記の本発明の半導体装置を備えたことを特徴とするものである。電気光学装置としては、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）装置、液晶装置、電気泳動方式表示装置、及びこれらを備えたシートコンピュータ等が挙げられる。

本発明のレーザアニール方法は、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、レーザアニールを実施する構成としている。

具体的には、被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜の場合、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分におけるレーザ光の吸収率が、下記式（１）及び（２）の関係を充足する条件で、レーザアニールを実施することが好ましい。
０．８２≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１）、
ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）

上記式（１）及び（２）の関係を充足させるには、例えば、被アニール半導体膜の膜厚ｔ（ｎｍ）とレーザ光の波長λ（ｎｍ）とが下記式（３）を充足するよう、レーザ光の波長λを選定すればよい。
０．８ｔ＋３２０≦λ≦０．８ｔ＋４００・・（３）

本発明のレーザアニール方法では、粒状結晶部分及び非結晶部分を選択的に融解させ、高結晶化することができる。また、いったん生成されたラテラル結晶部分は融解しない条件としているので、せっかく成長したラテラル結晶部分が再融解して、その結晶性が変化してしまう恐れもない。

したがって、本発明のレーザアニール方法によれば、非結晶半導体膜を略全面高結晶化することができ、非結晶半導体膜を略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜とすることも可能である。本発明者は、略全面がつなぎ目のないラテラル結晶膜を実際に実現している（後記実施例１のＳＥＭ・ＴＥＭ表面写真（図１５）を参照）。

本発明のレーザアニール方法を用いることにより、結晶性及び均一性が高く、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層等として好適な半導体膜を低コストに製造することができる。この半導体膜を用いることにより、素子特性（キャリア移動度等）や素子均一性に優れたＴＦＴ等の半導体装置を製造することができる。

本発明では、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜を製造できるので、ＴＦＴ等の半導体装置の形成位置の設計情報に基づいて、レーザ光のビーム端部とＴＦＴ等の半導体装置の素子形成領域とが重ならないようレーザ光を走査する、あるいはＴＦＴ等の半導体装置の素子形成領域にのみレーザ光を選択的に照射するなどの工夫が不要であり、素子特性（キャリア移動度等）及び素子均一性に優れたＴＦＴ等の半導体装置を低コストに安定的に製造することができる。かかるＴＦＴ等の半導体装置を備えた電気光学装置は、表示品質等の性能に優れたものとなる。

「レーザアニール方法」
従来より、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）と多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）とは、レーザ光の波長に対する吸収特性が異なることは知られていた。しかしながら、従来は、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）であり、これらのレーザ光の吸収特性に違いがあるとは考えられていなかった。

本発明者は、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとについて、レーザ光の波長に対する吸収特性について評価を実施し、これらの吸収特性に差があることを見出した。そして、粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつラテラル結晶部分が融解しないレーザ光の照射条件が存在することを見出した。本発明者は、かかるレーザ光の照射条件でレーザアニールを行うことにより、いったん生成されたラテラル結晶は再融解せず、その結晶性が変化することなく、粒状結晶部分及び非結晶部分のみを選択的に融解させて、これらをラテラル結晶化することができ、略全面ラテラル結晶とすることができることを見出した。以下、本発明者が行った評価について説明する。

ＧａＮ系半導体レーザ（発振波長４０５ｎｍ）を用い、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）膜に対して細長い矩形状のレーザ光Ｌを相対走査しながら連続照射して、レーザアニールを行った。基板平面をｘｙ平面とし、レーザ光の主相対走査方向をｘ方向、副相対走査方向をｙ方向とする。

図１（ａ）に示すように、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回実施すると、レーザ光Ｌの主相対走査方向ｘに延びる横方向成長のラテラル結晶が生成し、ラテラル結晶の生成領域の外側に、結晶粒の小さい粒状結晶（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）が生成される。この１回だけのレーザ光Ｌの相対走査後には、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。

ここでは、レーザ光Ｌが直接照射される領域内の端部に、粒状結晶が生成された場合について、図示してある。レーザアニール条件によっては、レーザ光Ｌが直接照射される領域内の端部、及び／又はレーザ光Ｌは直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光Ｌが直接照射される領域のすぐ外側の領域）に、粒状結晶が生成される。

なお、本明細書において、レーザ光の相対走査を実施してラテラル結晶を成長させる場合、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回実施したときにアニールされる領域を、「１回のレーザアニールのアニール領域」と言う。

膜全面を処理するために、図１（ｂ）に示すように、ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を繰り返し実施する。ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際には、ｙ位置を変える前にラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、レーザアニールを実施する。このとき、先に生成されたラテラル結晶に重ねてレーザ光Ｌを照射してもよい。

図示するように、ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際（アニール領域を変える際）には、被アニール半導体膜に対して、先にレーザ光Ｌが照射された領域と次にレーザ光Ｌが照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。

図１（ａ）中、被アニール半導体膜に符号２０を付し、基板ステージに符号１１０を付し、レーザヘッドに符号１２０を付してある。図１（ａ）は、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回実施している途中の図である。ここでは、視認しやすくするため、膜に対してレーザヘッドの大きさを大きく図示してある。

図１（ｂ）はｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を繰り返し実施したときの結晶化のイメージ平面図である。図中、レーザ光Ｌが照射された領域のうち特にハッチングを付けていない領域がラテラル結晶の生成領域である。

ラテラル結晶部分（ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉ）、粒状結晶部分（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、及び非結晶部分（ａ−Ｓｉ）について各々、測定光の波長を変えて、エリプソメータにて複素屈折率ｎ＋ｉｋ（ｋは消衰係数であり、ｉｋは虚数部を示す。）を測定した。各結晶状態における波長と屈折率ｎとの関係を図２に示す。また、下記式に基づいて、各結晶状態における波長と吸収係数αとの関係を求めた。結果を図３に示す。いずれの結晶状態においても、４００ｎｍ付近で吸収係数が大きく低下する傾向にあることが明らかとなった。
吸収係数α=ｋ／４πλ
（式中、ｋは消衰係数、λは波長である。）

次に、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンについて各々、各波長におけるシリコン膜の吸収率を求めた。

レーザヘッドからの出射エネルギーは、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる損失、及び膜表面でのフレネル反射による損失によって減衰して、膜に吸収される。膜に吸収される光エネルギーは下記式で表される。
（膜に吸収される光エネルギー）＝（膜に照射される光エネルギー）×（表面反射せずに膜に入射する光量の割合）×（膜に吸収される光量の割合）

上記式中の（表面反射せずに膜に入射する光量の割合）×（膜に吸収される光量の割合）が吸収率である。吸収率は、膜に照射されたレーザ光の光量に対して膜に吸収される光量の割合であり、吸収率＝ａ×ｂで表される。

上記式中、ａは膜に吸収される光量の割合であり、下記式から求められる。膜厚ｔは、レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンＴＦＴを形成する場合に一般的な５０ｎｍとした。
ａ＝ｅｘｐ^−αｔ
（式中、αは吸収係数、ｔは膜厚）

上記式中、ｂは表面反射せずに膜に入射する光量の割合であり、下記式から求められる。ｂはレーザヘッドから出射されたレーザ光の光量からフレネル反射による膜表面での損失分を差し引いて求められる量である。
ｂ＝１−（（１−ｎ）／（１＋ｎ））^２
（式中、ｎは屈折率である。）

さらに、各波長において、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）、及び非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）を求めた。これらの吸収率比は、非結晶シリコンの吸収率を１としたときの、粒状結晶シリコンの相対吸収率及びラテラル結晶シリコンの相対吸収率である。結果を図４に示す。

粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）であるが、図４には、レーザ光の波長に対するこれらのレーザ光の吸収特性が大きく異なることが示されている。

図２〜図４に示すように、粒径の小さい粒状結晶シリコン（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）は、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）とラテラル結晶シリコン（ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉ）との中間的な特性を示すことが明らかとなった。このように、ラテラル結晶シリコンと粒状結晶シリコンとを分けて、吸収特性を評価した例は、過去には見当たらない。

図４に示すように、３５０ｎｍ未満の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとの吸収特性に大きな差はなく、いずれも、非結晶シリコンの吸収率の０．７〜０．９倍程度の高い吸収率を示すことが明らかとなった。これに対して、３５０ｎｍ以上の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも、長波長になるにつれて非結晶シリコンに対する吸収率比が低下する傾向にあるが、ラテラル結晶シリコンの方が、非結晶シリコンに対する吸収率比の低下のレベルがより大きく、しかもその低下がより短波長側で起こることが明らかとなった。３５０〜６５０ｎｍの波長域では、非結晶シリコンに対する粒状結晶シリコンの吸収率比と、非結晶シリコンに対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との差が大きくなっている。

図４は非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）の吸収率を基準とした相対的な吸収率比を示すものであるが、図３に示すように、絶対的な吸収率の値で見れば、５００ｎｍ以上の波長域においては、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンのすべての吸収率が著しく小さくなる。したがって、ラテラル結晶シリコンの吸収率と粒状結晶シリコンの吸収率との差が大きく、かつ、粒状結晶シリコン及び非結晶シリコンの吸収率がある程度高い範囲内で、用いるレーザ光の波長を決定することが好ましい。

すなわち、膜厚ｔ＝５０ｎｍの条件では、３５０〜５００ｎｍ、好ましくは３５０〜４５０ｎｍの波長域にあるレーザ光を用いることで、粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させてラテラル結晶化することができ、かつ既に生成されたラテラル結晶部分は融解させないレーザアニールを実施することができる。

現在レーザアニールに一般に使用されているエキシマレーザ光は波長３００ｎｍ以下の紫外レーザ光であるので、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とはいずれも吸収率が高く、吸収特性に大きな差はない。

また、「背景技術」の項で挙げた特許文献１〜５で用いられている可視レーザ光は、固体レーザの第２高調波等の５００〜５５０ｎｍの波長域のレーザ光である。かかる波長域では、図４ではラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差があるように見えるが、図３に示すように、非結晶部分の吸収率自体が小さいため、実際にはラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差はない。

すなわち、従来は、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差のない３００ｎｍ以下の波長域、あるいは５００〜５５０ｎｍの波長域のレーザ光が用いられていた。そして、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分とはいずれも多結晶シリコンであるから、吸収特性に大きな差はないと考えられていた。本発明者は、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差が現れる波長域が存在することをはじめて明らかにした。

特開2004-64066号公報には、ＧａＮ系半導体レーザ（波長３５０〜４５０ｎｍ）を用いたレーザアニール装置が開示されている。照射条件としては、走査速度３０００ｍｍ／ｓ、非結晶シリコン膜面上における光パワー密度６００ｍＪ／ｃｍ^２が挙げられている（段落０１２７）。しかしながら、この文献では、結晶状態と吸収率の関係などについては、検討されていない。

単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）の融点は約１４００℃であり、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）の融点は約１２００℃である。したがって、粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させるには、粒状結晶部分及び非結晶部分におけるレーザ光の表面到達温度が約１４００℃以上であることが好ましい。

本発明者が、ＧａＮ系半導体レーザ（発振波長４０５ｎｍ）を用い、非結晶シリコン膜に対して、レーザ光の相対走査速度０.０１ｍ／ｓ以上の条件で、レーザヘッドからの出射光量を変えてレーザアニールを行い、レーザビームの中央部分において実際にラテラル結晶が成長するのか否かをＳＥＭ及びＴＥＭにより観察し、ラテラル結晶成長に必要なレーザ光の表面到達温度を求めたところ、約１７００℃であった。また、実際の実験から、レーザ光の表面到達温度が約２２００℃以上では、アブレーションにより膜の部分的な剥離が生じる場合があることが分かった。すなわち、粒状結晶部分及び非結晶部分をラテラル結晶化するには、これらの部分におけるレーザ光の表面到達温度が約１７００〜２２００℃であることが好ましい。レーザ光の表面到達温度は、レーザ光が照射されたときの瞬間的な膜表面温度である。

表面到達温度は、シリコン膜に入射する光量（この光量は、レーザヘッドからの出射光量から、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる光量損失、及び膜表面におけるフレネル反射による光量損失を差し引いて求められる。）、及びシリコン膜の吸収率から、理論的に求められる。

レーザ光の表面到達温度を所望の温度とするのに、必要な照射エネルギーは下記式で概念的に表される。なお、各エネルギーは、時間変化及び温度変化するため、単純には表記できないが、ここでは概念的に示してある。式中、融解エネルギーＥ２は、融点にて必要なエネルギーである。
（照射エネルギーＥ１）＝（融解エネルギーＥ２）＋（所望の温度に上昇させるために必要なエネルギーＥ３）＋（放熱エネルギーＥ４）

参考のために、１μｍ×１μｍ×５０ｎｍの直方体を加熱したときの断熱モデルでの計算例を示す。ここでは、所望の温度が１４００℃の条件で計算してある。

１μｍ×１μｍ×５０ｎｍの体積中に含まれるＳｉを融解させるために必要な融解エネルギーＥ２は、以下のように算出される。
Ｅ２＝（単位融解エネルギー）×（1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるＳｉのモル数）＝46×10³×((2.32 g/cm³)×(10^-6×10^-6×50×10^-9 m³)/28)＝1.9×10^-10 J

１μｍ×１μｍ×５０ｎｍの体積中に含まれるＳｉを所望の温度（この計算例では１４００℃＝融点）に上昇させるために必要なエネルギーＥ３は、以下のように算出される。
Ｅ３＝（比熱）×（1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるＳｉの質量）×（所望の温度）＝770J/kg K×(2.32g/cm³×(10^-6×10^-6×50×10^-9 m³))×1400℃＝1.3×10^-10 J

レーザ光の表面到達温度が２２００℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比と、レーザ光の表面到達温度との関係を図５に示す。非結晶シリコンは約１２００℃以上で融解するが、この図では、ラテラル結晶及び粒状結晶が融解しない表面到達温度約１４００℃以下の領域を「非融解」として図示してある。また、ラテラル結晶が成長するレーザ光の表面到達温度約１７００〜２２００℃の領域、及びアブレーションにより膜の部分的な剥離が生じるレーザ光の表面到達温度約２２００℃以上の領域を図示してある。

被アニール半導体膜２０に均一な光エネルギー分布の光を照射しても、結晶状態によって吸収される光エネルギー量は変化するので、各結晶状態におけるレーザ光の表面到達温度が変化する。図５には、レーザ光の表面到達温度が２２００℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比が０．８２以上の条件でラテラル結晶成長が可能であり、同エネルギー比が０．７０以下の条件では粒状結晶が融解しないことが示されている。

粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させてラテラル結晶化することができ、かつ既に生成されたラテラル結晶部分は融解させないためには、粒状結晶部分及び非結晶部分についてはレーザ光の表面到達温度が約１７００〜２２００℃となる吸収光エネルギーを与え、ラテラル結晶部分についてはレーザ光の表面到達温度が約１４００℃以下となる吸収光エネルギーを与えればよい。

ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に対して、同一照射条件でレーザ光を照射する場合には、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．８２以上であり、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．７０以下となる波長を選択することで、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に吸収されるエネルギー比を、０．７０以下：０．８２〜１．０：１．０とすることができる。

すなわち、被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分におけるレーザ光の吸収率が、下記式（１）及び（２）の関係を充足する条件で、レーザアニールを実施することが好ましい。
０．８２≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１）、
ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）

粒状結晶部分及び非結晶部分がラテラル結晶化し、ラテラル結晶が融解しないレーザアニールを安定的に実施するには、下記式（１Ａ）及び（２）を充足する条件で、レーザアニールを実施することがより好ましい。
０．８５≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１Ａ）、
ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）

図４には、吸収率比＝０．７及び吸収率比＝０．８２のラインを記載してある。非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．８２以上であり、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．７０以下となる波長は、シリコン膜の膜厚ｔ＝５０ｎｍの条件では、３６０〜４５０ｎｍの波長である。

レーザ光の吸収率は、シリコン膜の膜厚ｔによって変化する。膜厚ｔ（ｎｍ）＝５０，１００，２００としたときの、レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）との関係を求めた。結果を図６に示す。

図６には、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．７以下となる波長は、膜厚によって変わることが示されている。同様に、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．８２以上となる波長も、膜厚によって変わる（図示略）。

レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンＴＦＴを形成する場合、膜厚ｔ（ｎｍ）＞１２０では、ＴＦＴの素子形成が難しくなると共にリーク電流も多くなり、膜厚ｔ（ｎｍ）＜４０では、活性層の膜厚が薄くなりすぎて素子の信頼性が低下する。したがって、ＴＦＴ用では４０≦膜厚ｔ（ｎｍ）≦１２０ｎｍ（式（４））が好ましい。レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンＴＦＴを形成する場合の非結晶シリコン膜の膜厚ｔは５０ｎｍ程度が最も一般的である。

図７に、膜厚ｔに対して、粒状結晶部分及び非結晶部分の表面到達温度が約１７００〜２２００℃となり、かつ、ラテラル結晶部分の表面到達温度が約１４００℃以下となるレーザ光の波長の範囲を示す。

非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．７以下となる波長は膜厚によって変わるが、膜厚ｔ（ｎｍ）とレーザ光の波長λ（ｎｍ）とが下記式（３）を充足する条件で、レーザアニールを実施すればよい。
０．８ｔ＋３２０≦λ≦０．８ｔ＋４００・・（３）

４０≦膜厚ｔ（ｎｍ）≦１２０であれば、３５０〜５００ｎｍ、好ましくは３５０〜４９０ｎｍの波長域にあるレーザ光を用いることで、粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させてラテラル結晶化することができ、かつ既に生成されたラテラル結晶部分は融解させないレーザアニールを実施することができる。

粒状結晶部分及び非結晶部分をラテラル結晶化するには、これらの部分におけるレーザ光の表面到達温度が約１７００〜２２００℃であることが必要であることを述べた。本発明者が上記表面到達温度の範囲内で条件を変えてレーザアニールを行ったところ、粒状結晶部分では、上記範囲内でも比較的低い表面到達温度条件において、粒状結晶が核となってレーザ光の主相対走査方向に対して非平行方向（例えばレーザ光の主相対走査方向に対して５〜４５°の角度方向）にラテラル結晶が成長しようとし、かつ、同時に主相対走査方向に揃うようにラテラル結晶が成長しようともするので、湾曲したラテラル結晶が生成することがあった。ＴＦＴの素子特性のばらつきを抑制するには、膜の略全面でラテラル結晶方向が概ね揃っていることが好ましい。

本発明者は、粒状結晶部分及び非結晶部分におけるレーザ光の表面到達温度が約２０００±２００℃となる条件でレーザアニールを行うことで、粒状結晶が瞬間的に融解して、粒状結晶を核とするラテラル結晶成長が抑制されて、膜の略全面でラテラル結晶方向を揃えることができることを見出した。本発明者は、かかる条件でレーザアニールを行うことにより、膜の略全面でレーザ光の主相対走査方向とラテラル結晶成長方向となす角度を５°以下に揃えることができることを見出している。

図８に、レーザ光の相対走査速度に対して、非結晶部分における表面到達温度が約２０００±２００℃となる吸収パワー密度の範囲を示す。この図に示されるように、非結晶部分におけるレーザ光の吸収パワー密度Ｐ（ＭＷ/ｃｍ^２）とレーザ光の相対走査速度ｖ（ｍ/ｓ）とが下記式（５）を充足する条件で、レーザアニールを実施することが好ましい。
０．４４ｖ^{０．３４１４３}≦Ｐ≦０．５６ｖ^{０．３４１４３}・・・（５）

従来、ＳＯＩの分野における研究において、１ｃｍ／ｓ以下のＳｉの結晶成長速度が下記式で表されることが報告されている。
Ｖ＝Ｖ０×ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＴ）
（式中、Ｖはａ−ＳｉからＰｏｌｙ−Ｓｉへの固相成長速度（ｃｍ／ｓ）である。ｋはボルツマン定数である。Ｔはアニール温度（Ｋ）である。Ｖ０は係数であり、Ｖ０＝２.３〜３.１×１０^８ ｃｍ／ｓである。Ｅａは活性化エネルギー（＝ｃ−Ｓｉ中での空孔形成エネルギーに等しい）であり、Ｅａ＝２.６８〜２.７１ｅＶである。）

本発明者は、本発明のレーザアニールにおけるラテラル結晶成長速度も、上記関係式で表されることを確認している。先に述べたように、非結晶部分におけるアニール温度は約２２００℃が上限であるので、ラテラル結晶成長速度の上限は８ｍ／ｓとなる。

ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に対して、同一照射条件でレーザ光を照射する場合、
非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比が０．８２以上であり、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比が０．７０以下となる波長を選択し、
粒状結晶部分及び非結晶部分の表面到達温度が約１７００〜２２００℃となり、かつ、ラテラル結晶部分の表面到達温度が約１４００℃以下となるようにレーザアニールを行ったときの、
非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、吸収率分布、膜面上のレーザ光の照射光強度分布、レーザ光の吸収エネルギー分布、及び温度分布のイメージ図を図９に示す。

この図では、レーザ光の表面到達温度ではなく、膜の温度分布を示してある。また、この図には、レーザアニールを実施している際中の、被アニール半導体膜の表面と、該表面におけるレーザビーム位置及びレーザビームの相対走査方向とを図示してある。

非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、膜面のレーザ光の照射光強度分布は均一であるが、各々の吸収率が異なっているので、各部分におけるレーザ光の吸収エネルギーが異なっている。そして、粒状結晶部分及び非結晶部分は融解する温度になるが、いったん生成されたラテラル結晶部分は重ねてレーザ光を照射しても再融解しない温度に抑えられている。

図１（ａ）に示したように、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回だけ実施した場合、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。従来の方法では、ｙ位置をずらして２回目のレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際にも、１回目と同様に、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。

しかしながら、本発明の方法では、ラテラル結晶部分に重ねてレーザ光を照射しても、ラテラル結晶部分が再融解せず、該部分の温度が粒状結晶の生成温度に満たないので、図９に示すように、ｙ位置をずらして２回目のレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際には、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域の片側だけ、非結晶シリコン側にのみ、粒状結晶が生成されることになる。すなわち、本発明の方法では、２回目のレーザアニールによって、１回目に帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に生成された粒状結晶のうち、片方の側に生成された粒状結晶をラテラル結晶化させることができ、しかも先にレーザアニールを実施した側には、２回目のレーザアニールによって、不要な粒状結晶が新たに生成することがない。ｙ位置を変えて、同様の操作を繰り返し行うことによって、略全面をつなぎ目なくラテラル結晶化することができる。

以上説明したように、本発明の方法では、略全面ラテラル結晶膜が得られる。「ラテラル結晶膜」とは、横方向（＝レーザ光を相対走査する場合は、その相対走査方向）に延びる帯状の結晶粒で構成される多結晶膜であり、この多結晶膜は実効的にほぼ単結晶膜（擬似単結晶膜）と見なすことができる。本発明者は、レーザ光の相対走査方向の長さが５μｍ程度以上であり、幅が０．２〜２μｍである結晶粒からなる略全面ラテラル結晶膜を実現している（後記実施例１のＳＥＭ・ＴＥＭ表面写真（図１５）を参照）。

上記評価は被アニール半導体膜２０がシリコン膜の場合の評価であるが、被アニール半導体膜２０の構成材料に関係なく、粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつラテラル結晶部分が融解しないレーザ光の照射条件でレーザアニールを行うことにより、いったん生成されたラテラル結晶は再融解せず、その結晶性が変化することなく、粒状結晶部分及び非結晶部分をラテラル結晶化することができ、略全面ラテラル結晶とすることが可能である。

すなわち、本発明のレーザアニール方法は、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施するレーザアニール方法において、
被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、レーザアニールを実施することを特徴とするものである。

被アニール半導体膜の構成材料は特に制限なく、シリコン、ゲルマニウム、及びシリコン／ゲルマニウム等が挙げられる。

本発明のレーザアニール方法において、図１（ｂ）に示したように、被アニール半導体膜に対して、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。

レーザ光の照射領域の部分的な重ね方については特に制限されない。後からレーザ光を照射される領域が、先のレーザ光照射により形成された粒状結晶部分を１００％カバーしていれば、粒状結晶部分が全てラテラル結晶化され、先の照射で形成されたラテラル結晶領域との間に粒状結晶領域なく、次のラテラル結晶領域を形成することができる。

被アニール半導体膜の用途によっては、ラテラル結晶領域間に粒状結晶領域が残っていてもよい場合がある。その場合でも、後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりが１％以上あれば粒状結晶領域が部分的にラテラル結晶化されるので、ラテラル結晶領域を広くすることができる。後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりの割合が大きくなる程、ラテラル結晶領域が広くなり、好ましい。後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりの割合は、５０％以上が好ましい。

レーザアニール条件によっては、レーザ光が直接照射される領域内の端部、及び／又はレーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域）に、粒状結晶が生成される。

１回目のｘ方向の相対走査では、レーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域）に粒状結晶が生成し、ｙ位置を変えた次のｘ方向の相対走査で粒状結晶に対してレーザ光を直接照射するような場合には、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重ならなくても、粒状結晶をラテラル結晶化させることができる。ただし、粒状結晶の生成領域とレーザ光の照射位置との位置ずれを考慮すれば、被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらしてレーザアニールを再度実施する際には、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。

本発明のレーザアニール方法において、レーザ光として連続発振レーザ光を用いることが好ましい。パルスレーザ光では、レーザヘッドをオンにしている間にもレーザ光が照射されない時間が周期的に訪れる。連続発振レーザ光を用いる場合には、レーザヘッドをオンにしている間は常に被アニール半導体膜に対してレーザ光が連続的に照射されるので、緻密で均一な膜処理ができ、より粒径の大きいラテラル結晶を成長させることができ、好ましい。本発明のレーザアニールを実施する際に用いて好適な波長域を考慮すれば、レーザ光として半導体レーザ光を用いることが好ましい。

被アニール半導体膜に対してレーザ光を相対走査する場合について説明したが、本発明の方法は、レーザ光を相対走査しなくても、ラテラル結晶が成長する条件でレーザアニールを行う場合に適用可能である。

例えば、はじめにある領域に対して矩形状にレーザ光を照射し、同じ領域に対して照射中心線は変えずに一方向の照射幅を小さくしながら、レーザ光を複数回繰り返し照射することで、はじめにレーザ光を照射した領域の外側から温度が冷えていき、照射中心線と外側との間に温度勾配が発生して照射中心線から外側に延びるラテラル結晶を成長させることができる。このとき、ラテラル結晶の生成領域の外側に粒状結晶が生成されることは、相対走査によりラテラル結晶を成長させる場合と同様である。この場合には、同じ領域に対して上記条件でレーザ光が複数回照射されてアニールされる領域が、１回のレーザアニールのアニール領域になる。ただし、かかる方法では、１つのアニール領域に対して、フォトマスク等を用いて照射面積を変えて複数回レーザ光を照射する必要があるので、連続的な膜処理ができず非効率的であり、略全面を均一に処理することも難しい。

したがって、本発明のレーザアニール方法において、被アニール半導体膜に対して、レーザ光を部分的に照射しつつレーザ光を相対走査して、レーザアニールを実施することが好ましい。かかる構成では、レーザ光の相対走査方向に結晶が成長するので、ラテラル結晶を連続的に成長させることができ、膜面全体を効率よく処理することができる。また、膜面全体を連続的に緻密に処理できるので、均一性に優れた略全面ラテラル結晶膜が得られる。

本発明のレーザアニール方法を用いることにより、結晶性及び均一性が高く、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層等として好適な半導体膜を低コストに製造することができる。この半導体膜を用いることにより、素子特性（キャリア移動度等）や素子均一性に優れたＴＦＴ等の半導体装置を製造することができる。

本発明では、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜を製造できるので、ＴＦＴ等の半導体装置の形成位置の設計情報に基づいて、レーザ光のビーム端部とＴＦＴ等の半導体装置の素子形成領域とが重ならないようレーザ光を走査する、あるいはＴＦＴ等の半導体装置の素子形成領域にのみレーザ光を選択的に照射するなどの工夫が不要であり、素子特性（キャリア移動度等）及び素子均一性に優れたＴＦＴ等の半導体装置を低コストに安定的に製造することができる。かかるＴＦＴ等の半導体装置を備えた電気光学装置は、表示品質等の性能に優れたものとなる。

「レーザアニール装置」
図面を参照して、本発明に係る実施形態のレーザアニール装置の構成について、説明する。図１０はレーザアニール装置の全体構成図、図１１は１個の合波半導体レーザ光源１２１の内部構成を示す図である。

本実施形態のレーザアニール装置１００は、非結晶シリコン膜等の被アニール半導体膜２０を載置する基板ステージ１１０と、レーザ光Ｌを出射するレーザヘッド１２０と、レーザヘッド１２０からの出射レーザ光Ｌを走査する走査光学系１４０とを備えている。

本実施形態では、レーザヘッド１２０から出射されたレーザ光Ｌは、走査光学系１４０により図示ｘ方向（主相対走査方向）に走査されるようになっている。また、基板ステージ１１０がステージ移動手段（図示略）により図示ｙ方向に移動可能とされており、これにより、レーザ光Ｌが図示ｙ方向（副相対走査方向）に相対走査されるようになっている。本実施形態では、基板ステージ１１０及び走査光学系１４０により、レーザ光Ｌを被アニール半導体膜２０に対して相対走査する相対走査手段が構成されている。

レーザヘッド１２０は、水冷ヒートシンク１３１上に隙間なく配置された複数の合波半導体レーザ光源１２１により概略構成されている。

図１１に示す如く、個々の合波半導体レーザ光源１２１には、レーザ光発振源として連続波出力の１個のマルチ横モードの半導体レーザＬＤ（ブロードエリア半導体レーザ、図示略）が内蔵された４個のＬＤパッケージ１２３（１２３Ａ〜１２３Ｄ）と、これら４個のＬＤパッケージ１２３から出射されたレーザ光Ｌ１〜Ｌ４を各々平行光束化する、ＬＤパッケージ１２３と同数のコリーメータレンズ１２４（１２４Ａ〜１２４Ｄ）とが組み込まれたＬＤユニット１２２が備えられている。

合波半導体レーザ光源１２１内において、４個のＬＤパッケージ１２３（１２３Ａ〜１２３Ｄ）は、図示ｘ方向（図１１の図示奥行き方向）に配列されている。

合波半導体レーザ光源１２１にはさらに、レーザ光Ｌ１〜Ｌ４を各々反射するＬＤパッケージ１２３と同数の反射ミラー１２５（１２５Ａ〜１２５Ｄ）と、
反射ミラー１２５Ａ，１２５Ｂにより反射されたレーザ光Ｌ１，Ｌ２が入射する偏光ビームスプリッタ１２６Ａと、
反射ミラー１２５Ｃ，１２５Ｄにより反射されたレーザ光Ｌ３，Ｌ４が入射する偏光ビームスプリッタ１２６Ｂとが備えられている。

偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳとする）１２６Ａ，１２６Ｂはいずれも、直角プリズムを２個接着した構成のキューブ状のＰＢＳであり、ＰＢＳ１２６Ｂの光入射面には、レーザ光Ｌ３，Ｌ４の偏光方向を９０°ずらす１／２波長位相差素子１２７が取り付けられている。

ＰＢＳ１２６ＡがたとえばＰ波成分を反射する場合は、ＰＢＳ１２６Ａに入射したレーザ光Ｌ１，Ｌ２は各々、光出力検出用にＳ波成分がＰＢＳ１２６Ａを透過してフォトダイオード１２９Ａ，１２９Ｂに入射し、Ｐ波成分がＰＢＳ１２６Ａ内で反射されてＰＢＳ１２６Ｂに入射するようになっている。レーザ光Ｌ１、Ｌ２の偏光の向きを調整することにより、Ｐ波成分とＳ波成分の割合を変えることができるので、この場合はＰ波成分が多くなる向きに調整することにより、より多くの光を有効に使うことができる。

ＰＢＳ１２６Ｂを、ＰＢＳ１２６Ａとは反対の成分を反射する（あるいは透過する）特性のものとすることにより、すなわち、この場合はＳ波を反射するものとすることにより、ＰＢＳ１２６Ａによって反射されたＰ波はそのまま透過させることができる。一方、レーザ光Ｌ３，Ｌ４は各々、１／２波長位相差素子１２７により偏光方向を９０°ずらしてからＰＢＳ１２６Ｂに入射させることにより、今度はＳ波成分の多い偏光の向きとなるので、従ってＳ波を反射するＰＢＳ１２６Ｂにおいては、光出力検出用に光量の割合の少ないＰ波成分がＰＢＳ１２６Ｂを透過してフォトダイオード１２９Ｃ，１２９Ｄに入射し、光量の割合の多いＳ波が反射される。

従って、合波半導体レーザ光源１２１では、ＰＢＳ１２６Ｂ内で、偏光成分の異なるレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ３、及び、レーザ光Ｌ２とレーザ光Ｌ４とがファスト軸方向に偏光合波され、さらに偏光合波されたレーザ光Ｌ１，Ｌ３と偏光合波されたレーザ光Ｌ２，Ｌ４とをスロー軸方向に角度合波するようにしている。

半導体レーザＬＤは比較的光出力が小さく、単独では高速走査アニールするために必要な光パワー密度が得られないので、レーザヘッド１２０は、複数のＬＤパッケージ１２３を備えた合波半導体レーザ光源１２１を複数備える構成としている。個々の合波半導体レーザ光源１２１において、複数のＬＤパッケージ１２３からの出射光を角度合波のみで合波すると、焦点深度が浅くなり、焦点ずれによる光強度ばらつきが大きくなる恐れがある。マルチ横モードの半導体レーザＬＤでは、ファスト軸方向の放射角度４０〜６０°であり、スロー軸方向の放射角度１５〜２５°である。本実施形態では、複数のＬＤパッケージ１２３から出射されたレーザ光Ｌ１〜Ｌ４を、ファスト軸方向に偏光合波し、スロー軸方向に角度合波する構成とすることで、焦点ずれによる光強度ばらつきを抑制し、必要な光パワー密度を得ている。

合波半導体レーザ光源１２１の光出射口には、マルチ横モードの半導体レーザＬＤから出射される個々の次数の高次横モード光に含まれる、光軸に対して略対称方向に伝播する２つの波面成分の干渉性を低減するために、この２つの波面成分のうち一方の波面成分の偏光方向を９０°ずらす１／２波長位相差素子１２８が設けられている。このことを図１２を参照して、説明する。

マルチ横モードの半導体レーザＬＤでは、次数の異なる複数の高次横モードが同時に発振される。図１２（ａ）に示す如く、任意の１つの次数ｍの高次横モード光の近視野像ＮＦＰ（ｍ）は、次数に応じて複数のピークを持つ強度分布を有し、隣接するピーク間の位相が反転した像である。図１２（ｂ）に模式的に示す如く、半導体レーザＬＤの光導波路Ｒには、光軸Ａに対して平行な２つの端面Ｅ１、Ｅ２がある。ある１つの次数の高次横モード光は、これら２つの端面Ｅ１、Ｅ２間で反射を繰り返して出射されるので、ある１つの次数の高次横モード光は概略、光軸Ａに対して略対称方向に伝播する２つの波面成分Ｗ１とＷ２とが複数重ね合わされたものとなる。

２つの波面成分Ｗ１とＷ２とは概略、波面成分Ｗ１が端面Ｅ１で反射されるときに波面成分Ｗ２が端面Ｅ２で反射され、波面成分Ｗ１が端面Ｅ２で反射されるとき波面成分Ｗ２が端面Ｅ１で反射される関係にある。これら２つの波面成分Ｗ１とＷ２との干渉により、上記の強度分布と位相分布を有する近視野像ＮＦＰ（ｍ）が形成されると考えられる。

実際には次数の異なる複数の高次横モードが同時に発振されるので、実際の近視野像ＮＦＰは、次数の異なる複数の高次横モードの近視野像ＮＦＰ（ｍ）が重なったものとなる。

任意の１つの次数ｍの高次横モード光に着目すれば、上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２は光軸Ａに対して略対称方向に伝播し、光軸Ａに対して略対称な双峰性の強度分布Ｐ１、Ｐ２を有する遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を形成する。

高次横モード光は次数が異なっても、光軸Ａに対して略対称方向に伝播する上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２とが複数重ね合わされて構成される。ただし、双峰性の光強度分布Ｐ１、Ｐ２のピーク分離角θは、半導体レーザの光導波路Ｒのストライプ幅及び屈折率分布、発振波長、高次横モードの次数等により決定され、次数が高くなる程ピーク分離角θが大きくなる傾向にある。

図では、双峰性の光強度分布Ｐ１、Ｐ２のピーク分離角θが最も大きい高次横モード光の遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を実線で示し、その他の次数の高次横モード光の遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を破線で示してある。

異なる次数の高次横モード光間の干渉性は小さいが、個々の次数の高次横モード光を構成する上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２との干渉性が大きい。そこで、本実施形態では、２つの波面成分Ｗ１とＷ２のうち一方の波面成分Ｗ２の偏光方向を９０°ずらす１／２波長位相差素子１２８を設けて、これら２つの波面成分Ｗ１とＷ２との干渉性を低減し、合波半導体レーザ光源１２１からの出射光の強度分布が均一になるように構成している。

合波半導体レーザ光源１２１では、コリーメータレンズ１２４、反射ミラー１２５、ビームスプリッタ１２６Ａ，１２６Ｂ、及び１／２波長位相差素子１２７，１２８により、４個のＬＤパッケージ１２３からの出射光Ｌ１〜Ｌ４を合波する合波光学系が構成されている。

図１０に示す如く、複数の合波半導体レーザ光源１２１を備えたレーザヘッド１２０の光出射面には、複数の合波半導体レーザ光源１２１の形成位置に合わせて位置とプリズム角が設定された複数のプリズム１３２ａからなるプリズムアレイ（偏向素子）１３２が取り付けられている。

走査光学系１４０は、ガルバノミラー等の光走査ミラー（動的偏向素子）１４１と平行光束化レンズ１４２とから構成されている。

レーザヘッド１２０に搭載された複数の合波半導体レーザ光源１２１から出射されたレーザ光Ｌはプリズムアレイ１３２によって偏向されて、光走査ミラー１４１に入射して、図示ｘ方向に走査される。

レンズ１４２は、光走査ミラー１４１による光走査に合わせて走査されるようになっており、光走査ミラー１４１により偏向されたレーザ光Ｌがレンズ１４２に入射して平行光束化される。

本実施形態では、上記構成により、図示ｙ方向を長手方向とする細長いレーザビームが形成され、このレーザビームが被アニール半導体膜２０に照射される。本発明者は例えば、被アニール半導体膜２０の膜面における照射光パワー密度が０．５〜２．７Ｗ／ｃｍ^２である、２０μｍ×４μｍ〜４０μｍ×８μｍの形状のレーザビームを実現した。

本実施形態のレーザアニール装置１００において、レーザ光Ｌの照射条件は、被アニール半導体膜２０の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ被アニール半導体膜２０のラテラル結晶部分が融解しない条件に設定されている。

被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、レーザ光Ｌの照射条件は、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分におけるレーザ光の吸収率が、下記式（１）及び（２）の関係を充足する条件に設定されていることが好ましい。
０．８２≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１）、
ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）

被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、レーザ光Ｌの照射条件は、被アニール半導体膜２０の膜厚ｔ（ｎｍ）とレーザ光Ｌの波長λ（ｎｍ）とが下記式（３）を充足する条件に設定されていることが好ましい。
０．８ｔ＋３２０≦λ≦０．８ｔ＋４００・・（３）

被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、レーザヘッド１２０に搭載された半導体レーザ（レーザ光発振源）ＬＤは、発振波長が３５０〜５００ｎｍの波長域にある半導体レーザであることが好ましい。３５０〜５００ｎｍの波長域にあるレーザ光を発振するレーザとしては、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮＡｓ，ＧａＮＡｓ等の含窒素半導体化合物を１種又は２種以上含む活性層を備えたＧａＮ系半導体レーザ、及びＺｎＯ系やＺｎＳｅ系等のII-VI族化合物系半導体レーザ等が挙げられる。

本実施形態のレーザアニール装置１００において、被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、レーザ光Ｌの照射条件と相対走査条件とは、非結晶部分におけるレーザ光の吸収パワー密度Ｐ（ＭＷ/ｃｍ^２）とレーザ光Ｌの相対走査速度ｖ（ｍ/ｓ）とが下記式（５）を充足する条件に設定されていることが好ましい。
０．４４ｖ^{０．３４１４３}≦Ｐ≦０．５６ｖ^{０．３４１４３}・・・（５）

本実施形態のレーザアニール装置１００は、被アニール半導体膜２０に対して、ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際（アニール領域を変える際）には、先にレーザ光Ｌが照射された領域と次にレーザ光Ｌが照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施するものであることが好ましい。

以上の構成の本実施形態のレーザアニール装置１００を用いることで、上記の本発明のレーザニール方法を実施することができる。

（設計変更例）
本実施形態のレーザアニール装置１００は上記構成に限らず、適宜設計変更可能である。基板ステージ１１０の移動と走査光学系１４０による光走査とにより、被アニール半導体膜２０に対するレーザ光Ｌの相対走査を実施する構成としたが、被アニール半導体膜２０に対するレーザ光Ｌの相対走査は、レーザヘッド１２０の図示ｘ方向及びｙ方向の機械的走査、基板ステージ１１０の図示ｘ方向及びｙ方向の機械的走査、あるいはレーザ光Ｌの図示ｘ方向及びｙ方向の光走査等によっても実施することができる。

本実施形態で挙げたように、高出力が得られ、細長いレーザビーム形状が得られることから、レーザヘッド１２０は、マルチ横モードの半導体レーザＬＤを複数備えた合波半導体レーザ光源１２１を複数搭載したものであることが好ましい。個々の合波半導体レーザ光源１２１に搭載されるＬＤ数が４個の場合について説明したが、その数は適宜設計できる。レーザヘッド１２０は、単数の合波半導体レーザ光源１２１のみを備えたものであってもよい。レーザヘッド１２０は、単数の半導体レーザＬＤのみを備えたものであってもよい。

「半導体膜、半導体装置、アクティブマトリクス基板」
図面を参照して、本発明に係る実施形態の半導体膜、これを用いた半導体装置、及びこれを備えたアクティブマトリクス基板の製造方法と構成について説明する。本実施形態では、トップゲート型の画素スイッチング用薄膜トランジスタ（画素スイッチング用ＴＦＴ）と、これを備えたアクティブマトリクス基板を例として説明する。図１３は、工程図（基板の厚み方向の断面図）である。

はじめに、図１３（ａ）に示す如く、基板１０を用意し、基板１０の表面全体に、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜２０を成膜する。ここでは、被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）膜である場合について図示してある。

基板１０としては特に制限なく、ガラス基板（石英ガラス基板、バリウムホウケイ酸ガラス基板、アルミノホウケイ酸ガラス基板等）、本実施形態のＴＦＴプロセス及びＴＦＴプロセスの後工程における熱処理に耐え得る耐熱性を有し、かつガラス同等以上の断熱性を有するプラスチック基板、シリコン基板、及び金属基板（ステンレス基板等）の表面に絶縁膜を形成してガラス同等以上の断熱性を付与した基板等が挙げられる。

被アニール半導体膜２０は基板１０上に直接形成するのではなく、基板１０上に酸化シリコンや窒化シリコン等の下地膜（図示略）を成膜してから、その上に、被アニール半導体膜２０を成膜してもよい。下地膜及び被アニール半導体膜２０の成膜方法としては特に制限なく、プラズマＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、及びスパッタ法等の気相成長法が挙げられる。

下地膜の膜厚は特に制限なく、例えば２００ｎｍ程度が好ましい。被アニール半導体膜２０の膜厚は特に制限なく、４０〜１２０ｎｍが好ましい。被アニール半導体膜２０の膜厚は、例えば５０ｎｍ程度が好ましい。

プラズマＣＶＤ法等により成膜された被アニール半導体膜２０には、通常水素が多く含まれる。水素が多く含まれたままレーザアニールによる結晶化を行うと、水素が突沸して膜表面が荒れる、水素の突沸により膜が部分的に剥離するなどの問題が生じる恐れがある。したがって、レーザアニールに先立ち、脱水素処理を行うことが好ましい。脱水素処理方法としては特に制限なく、熱アニール処理（例えば約５００℃・約１０分間）等が挙げられる。

次に、図１３（ｂ）に示す如く、被アニール半導体膜２０に対して、上記の本発明のレーザアニールを実施して、被アニール半導体膜２０の全面を結晶化する。本実施形態では、略全面ラテラル結晶化が可能である。
次に、図１３（ｃ）に示す如く、フォトリソグラフィ法により、レーザアニール後の半導体膜２１をパターニングして、ＴＦＴの素子形成領域以外の領域を除去する。パターニング後の半導体膜に符号２２を付してある。

次に、図１３（ｄ）に示す如く、ＣＶＤ法やスパッタリング法等により、ＳｉＯ_２等からなるゲート絶縁膜２４を形成する。ゲート絶縁膜２４の膜厚は特に制限なく、例えば１００ｎｍ程度が好ましい。
次に、図１３（ｅ）に示す如く、電極材料を成膜し、フォトリソグラフィ法によるパターニングを実施することにより、ゲート絶縁膜２４上に、ゲート電極２５を形成する。

次に、図１３（ｆ）に示す如く、ゲート電極２５をマスクとして、半導体膜２２にＰ，Ｂ等のドーパントをドープし、活性領域であるソース領域２３ａとドレイン領域２３ｂとを有する活性層２３を形成する。ドーパントがＰの場合について図示してある。活性層２３において、ソース領域２３ａとドレイン領域２３ｂとの間の領域がチャネル領域２３ｃとなる。ドープ量は、例えば３．０×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２程度が好ましい。この工程により、ＴＦＴの活性層をなす半導体膜２３が形成される。

次に、図１３（ｇ）に示す如く、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等からなる層間絶縁膜２６を成膜し、さらに、ドライエッチングやウエットエッチング等のエッチングを実施して、層間絶縁膜２６に、半導体膜２３のソース領域２３ａに通じるコンタクトホール２７ａと、ドレイン領域２３ｂに通じるコンタクトホール２７ｂとを開孔する。

さらに、層間絶縁膜２６上の所定の領域に、ソース電極２８ａとドレイン電極２８ｂとを形成する。ソース電極２８ａは、コンタクトホール２７ａを介して半導体膜２３のソース領域２３ａに導通され、ドレイン電極２８ｂはコンタクトホール２７ｂを介して半導体膜２３のドレイン領域２３ｂに導通される。

本実施形態では、レーザアニール後パターニング前の半導体膜２１、パターニング後不純物注入前の半導体膜２２、及び不純物注入後の半導体膜２３のいずれも、本発明のレーザアニール技術を用いて製造された本発明の半導体膜である。
以上の工程により、本実施形態の画素スイッチング用ＴＦＴ３０が製造される。

次に、図１３（ｈ）に示す如く、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等からなる層間絶縁膜３１を成膜し、ドライエッチングやウエットエッチング等のエッチングを実施して、層間絶縁膜３１にソース電極２８ａに通じるコンタクトホール３２を開孔する。

さらに、層間絶縁膜３１上の所定の領域に、画素電極３３を形成する。画素電極３３は、コンタクトホール３２を介してＴＦＴ３０のソース電極２８ａに導通される。

一対の画素電極３３とＴＦＴ３０のみを図示してあるが、実際には、１個の基板１０に対して、画素電極３３はマトリクス状に多数形成され、各画素電極３３に対応して画素スイッチング用ＴＦＴ３０が形成される。

通常、液晶装置用では、１つのドットに対して１個の画素電極３３と１個の画素スイッチング用ＴＦＴ３０とが形成され、ＥＬ装置用では、１つのドットに対して１個の画素電極３３と２個の画素スイッチング用ＴＦＴ３０とが形成される。

以上の工程により、本実施形態のアクティブマトリクス基板４０が製造される。
アクティブマトリクス基板４０の製造にあたっては、走査線や信号線等の配線が形成される。ゲート電極２５が走査線を兼ねる場合と、ゲート電極２５とは別に走査線を形成する場合がある。ドレイン電極２８ｂが信号線を兼ねる場合と、ドレイン電極２８ｂとは別に信号線を形成する場合がある。

本実施形態では、本発明のレーザアニール技術を用いているので、結晶性が高く、ＴＦＴの活性層として好適な半導体膜２１〜２３を製造することができる。これらの半導体膜２１〜２３を用いて製造された本実施形態の画素スイッチング用ＴＦＴ３０は、素子特性（キャリア移動度等）や素子均一性に優れたものとなる。この画素スイッチング用ＴＦＴ３０を備えた本実施形態のアクティブマトリクス基板４０は、電気光学装置用として高性能なものとなる。

液晶装置やＥＬ装置等の電気光学装置では、同じ基板上に、画素電極と画素スイッチング用ＴＦＴとがマトリクス状に多数形成された画素部と、この画素部を駆動する、複数の駆動回路用ＴＦＴを用いて構成された駆動回路を備えた駆動部とが設けられる場合がある。駆動回路は、通常、Ｎ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとのＣＭＯＳ構造を有する。

本発明のレーザアニール技術では、被アニール半導体膜２０を略全面ラテラル結晶化することができるので、画素スイッチング用ＴＦＴの活性層と駆動回路用ＴＦＴの活性層とを同時に形成することができる。本発明のレーザアニール技術では、キャリア移動度等の素子特性に優れた駆動回路用ＴＦＴを製造することができる。

「電気光学装置」
図面を参照して、本発明に係る実施形態の電気光学装置の構成について説明する。本発明は、ＥＬ装置や液晶装置等に適用可能であり、有機ＥＬ装置を例として説明する。図１４は有機ＥＬ装置の分解斜視図である。

本実施形態の有機ＥＬ装置（電気光学装置）５０は、上記実施形態のアクティブマトリクス基板４０の上に、電流印加により赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を各々発光する発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂが所定のパターンで形成され、その上に、共通電極４２と封止膜４３とが順次積層されたものである。

封止膜４３を用いる代わりに、金属缶もしくはガラス基板等の封止部材で封止を行ってもよい。この場合には、酸化カルシウム等の乾燥剤を内包させてもよい。

発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂは、画素電極３３に対応したパターンで形成され、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を発光する３ドットで一画素が構成されている。共通電極４２と封止膜４３とは、アクティブマトリクス基板４０の略全面に形成されている。

有機ＥＬ装置５０では、画素電極３３と共通電極４２のうち、一方が陽極、他方が陰極として機能し、発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂは、陽極から注入される正孔と陰極から注入される電子の再結合エネルギーによって発光する。

発光効率を向上するために、発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂと陽極との間には、正孔注入層及び／又は正孔輸送層を設けることができる。発光効率を向上するために、発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂと陰極との間には、電子注入層及び／又は電子輸送層を設けることができる。

本実施形態の有機ＥＬ装置（電気光学装置）５０は、上記実施形態のアクティブマトリクス基板４０を用いて構成されたものであるので、ＴＦＴ３０の素子特性（キャリア移動度等）や素子均一性に優れており、表示品質等の電気光学特性が優れたものとなる。

本発明に係る実施例及び比較例について説明する。

（実施例１）
ガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法にて、酸化シリコンからなる下地膜（２００ｎｍ厚）と、非結晶シリコン膜（ａ−Ｓｉ、５０ｎｍ厚）とを順次成膜した。その後、約５００℃・約１０分の熱アニールを実施して、非結晶シリコン膜の脱水素処理を実施した。

この非結晶シリコン膜に対して、上記実施形態のレーザアニール装置１００（図１０及び図１１を参照）を用いて、レーザアニールを実施した。レーザ光発振源としては、ＧａＮ系半導体レーザ（発振波長４０５ｎｍ）を用いた。非結晶シリコン膜面上におけるレーザビームの形状は、２０×３μｍの細長い矩形状とした。

下記条件で、略全面レーザアニールを実施した。
＜条件１＞
レーザ光の相対走査速度０.０１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０.１ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量７５％。

重ね量が７５％とは、あるｙ位置においてレーザ光のｘ方向相対走査を実施した後、ｙ位置を変えてレーザ光のｘ方向相対走査を実施する際には、ｙ位置を５μｍだけずらして、先にレーザ光が照射された２０μｍ幅の領域に対して、照射領域が１５μｍ重なるように、レーザアニールを実施したことを意味する。

略全面レーザアニール後の膜表面のＳＥＭ写真及びＴＥＭ写真を図１５（ａ），（ｂ）に示す。図示するように、本実施例の条件では、粒状結晶部分及び非結晶部分は融解するが、いったん生成されたラテラル結晶部分は重ねてレーザ光を照射しても再融解せず、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜が得られた。しかも、膜の略全面でレーザ光の主相対走査方向とラテラル結晶成長方向となす角度を５°以下に揃えることができた。

レーザアニール条件を下記条件に変えて、同様にレーザアニールを実施しても、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜が得られた。
＜条件２＞
レーザ光の相対走査速度１．０ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０.５ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量７５％。
＜条件３＞
レーザ光の相対走査速度０．１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０．１５ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量７５％。
＜条件４＞
レーザ光の相対走査速度０．０１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０．１ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量２５％。

レーザ光の相対走査速度が遅い程、周囲に熱が伝導しやすく、粒状結晶が生成されやすい傾向にあるが、本発明のレーザアニール方法によれば、レーザ光の相対走査速度０．０１ｍ／ｓの条件においても、粒状結晶部分及び非結晶部分は融解するが、いったん生成されたラテラル結晶部分は重ねてレーザ光を照射しても再融解せず、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜が得られた。

（比較例１）
下記条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例１と同様にレーザアニールを実施した。
＜条件５＞
レーザ光の相対走査速度０．０１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０．０９ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量７０％。
略全面レーザアニール後の膜表面のＳＥＭ写真及びＴＥＭ写真を図１６（ａ），（ｂ）に示す。図示するように、本比較例の条件では、粒状結晶部分とラテラル結晶部分がいずれも重ねてレーザ光を照射しても再融解しなかった。そのため、重ねてレーザ光を照射しても粒状結晶部分はラテラル結晶化しなかった。また、粒状結晶が核となってレーザ光の主相対走査方向に対して非平行方向（レーザ光の走査方向に対して５〜４５°の角度方向）にラテラル結晶が成長しようとし、かつ、同時に主相対走査方向に揃うようにラテラル結晶が成長しようともするので、湾曲したラテラル結晶が生成した。膜面積に対して、粒状結晶の占める割合は３０％以上であった。

（比較例２）
下記条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例１と同様にレーザアニールを実施した。
＜条件６＞
レーザ光の相対走査速度０．０１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０．０８ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量７０％。

略全面レーザアニール後の膜表面のＴＥＭ写真を図１７に示す。比較例１よりも吸収パワー密度を落とした本比較例では、非結晶部分もラテラル結晶化せず、得られた膜は略全面が粒状結晶からなるシリコン膜であった。

（Ｖｇ−Ｉｄ特性の評価）
実施例１の＜条件１＞のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてＴＦＴを製造し、得られたＴＦＴのＶｇ−Ｉｄ特性（ゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄとの関係）を評価した。
同様に、比較例１のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてＴＦＴを製造し、そのＶｇ−Ｉｄ特性を評価した。比較例１については、２個のＴＦＴ（比較例１−Ａ、比較例１−Ｂ）について、評価を実施した。
結果を図１８に示す。図１８において、左右の縦軸はいずれも同じＩｄ値を示しているが、右の縦軸は通常表示、左の縦軸は対数表示になっている。図示するように、実施例１で得られたＴＦＴは、比較例１で得られたＴＦＴよりも、キャリア移動度が高く、素子電流特性が良好であった。

本発明のレーザアニール装置は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）及びこれを備えた電気光学装置の製造等に好ましく適用することができる。

（ａ）あるｙ位置でレーザ光のｘ方向相対走査を１回実施したときのラテラル結晶と粒状結晶の生成の様子を示す斜視図、（ｂ）はｙ位置を変えたレーザ光のｘ方向相対走査を繰り返し実施したときの結晶化のイメージ平面図 シリコン膜のラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とにおける、波長と屈折率ｎとの関係を示す図 シリコン膜のラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とにおける、波長と吸収係数との関係を示す図 レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比及び非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との関係を示す図 レーザ光の表面到達温度が２２００℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比と、レーザ光の表面到達温度と、生成する結晶状態との関係を示す図 膜厚ｔ（ｎｍ）＝５０，１００，２００としたときの、レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との関係を示す図 シリコン膜の膜厚ｔに対して、粒状結晶部分及び非結晶部分の表面到達温度が約１７００〜２２００℃となり、かつ、ラテラル結晶部分の表面到達温度が約１４００℃以下となる波長の範囲を示す図 レーザ光の相対走査速度に対して、非結晶部分における表面到達温度が約２０００±２００℃となる吸収パワー密度の範囲を示す図 非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、吸収率分布、膜面上のレーザ光の照射光強度分布、レーザ光の吸収エネルギー分布、及び温度分布のイメージ図 本発明に係る実施形態のレーザアニール装置の全体構成図 図１０のレーザアニール装置に備えられた１個の合波半導体レーザ光源の内部構成を示す図 （ａ），（ｂ）は、マルチ横モード光が持つ干渉性を低減する構成を説明するための図 （ａ）〜（ｈ）は、本発明に係る実施形態の半導体膜、これを用いた半導体装置、及びこれを備えたアクティブマトリクス基板の製造方法を示す工程図 本発明に係る実施形態の有機ＥＬ装置（電気光学装置）の構成を示す図 （ａ）は実施例１において条件１でレーザアニールを実施したときのレーザアニール後のＳＥＭ表面写真、（ｂ）は同ＴＥＭ表面写真 （ａ）は比較例１のレーザアニール後のＳＥＭ表面写真、（ｂ）は同ＴＥＭ表面写真 比較例２のレーザアニール後のＴＥＭ表面写真 実施例１と比較例１において得られたＴＦＴのＶｇ−Ｉｄ特性の評価結果を示す図

符号の説明

２０ 被アニール半導体膜
２１、２２ 半導体膜
２３ 半導体膜（活性層）
２３ａ ソース領域（活性領域）
２３ｂ ドレイン領域（活性領域）
３０ ＴＦＴ（半導体装置）
４０ アクティブマトリクス基板
５０ 有機ＥＬ装置（電気光学装置）
１００ レーザアニール装置
１１０ 基板ステージ（相対走査手段）
１２０ レーザヘッド
１２１ 合波半導体レーザ光源
１２３（１２３Ａ〜１２３Ｄ） ＬＤパッケージ
１４０ 走査光学系（相対走査手段）
ＬＤ 半導体レーザ（レーザ光発振源）
Ｌ レーザ光

Claims (25)

1. 非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
   さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施するレーザアニール方法において、
   前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とするレーザアニール方法。
2. 前記被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらして前記レーザアニールを再度実施する際には、
   前記被アニール半導体膜に対して、先に前記レーザ光が照射された領域と次に前記レーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール方法。
3. 前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜であり、
   前記ラテラル結晶部分、前記粒状結晶部分、及び前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収率が、下記式（１）及び（２）の関係を充足する条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザアニール方法。
   ０．８２≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１）、
   ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）
4. 前記被アニール半導体膜の膜厚ｔ（ｎｍ）と前記レーザ光の波長λ（ｎｍ）とが下記式（３）を充足する条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項３に記載のレーザアニール方法。
   ０．８ｔ＋３２０≦λ≦０．８ｔ＋４００・・（３）
5. 前記被アニール半導体膜の膜厚ｔ（ｎｍ）が下記式（４）を充足することを特徴とする請求項４に記載のレーザアニール方法。
   ４０≦ｔ≦１２０・・・（４）
6. 前記レーザ光として連続発振レーザ光を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザアニール方法。
7. 前記レーザ光として半導体レーザ光を用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザアニール方法。
8. 前記被アニール半導体膜に対して、前記レーザ光を部分的に照射しつつ該レーザ光を相対走査して、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザアニール方法。
9. 前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜であり、
   前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収パワー密度Ｐ（ＭＷ/ｃｍ^２）と前記レーザ光の相対走査速度ｖ（ｍ/ｓ）とが下記式（５）を充足する条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項８に記載のレーザアニール方法。
   ０．４４ｖ^{０．３４１４３}≦Ｐ≦０．５６ｖ^{０．３４１４３}・・・（５）
10. 単数又は複数のレーザ光発振源を搭載したレーザヘッドを備え、
    非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
    さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施するレーザアニール装置において、
    前記レーザ光の照射条件は、前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件に設定されていることを特徴とするレーザアニール装置。
11. 前記被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらして前記レーザアニールを再度実施する際には、
    先に前記レーザ光が照射された領域と次に前記レーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、前記レーザアニールを実施するものであることを特徴とする請求項１０に記載のレーザアニール装置。
12. 前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜であり、
    前記レーザ光の照射条件は、前記ラテラル結晶部分、前記粒状結晶部分、及び前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収率が、下記式（１）及び（２）の関係を充足する条件に設定されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のレーザアニール装置。
    ０．８２≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１）、
    ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）
13. 前記レーザ光の照射条件は、前記被アニール半導体膜の膜厚ｔ（ｎｍ）と前記レーザ光の波長λ（ｎｍ）とが下記式（３）を充足する条件に設定されていることを特徴とする請求項１２に記載のレーザアニール装置。
    ０．８ｔ＋３２０≦λ≦０．８ｔ＋４００・・（３）
14. 前記レーザ光は連続発振レーザ光であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載のレーザアニール装置。
15. 前記レーザ光発振源は半導体レーザであることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載のレーザアニール装置。
16. 前記レーザ光発振源は、発振波長が３５０〜５００ｎｍの波長域にある半導体レーザであることを特徴とする請求項１５に記載のレーザアニール装置。
17. 前記レーザ光発振源は、ＧａＮ系半導体レーザ又はＺｎＯ系半導体レーザであることを特徴とする請求項１６に記載のレーザアニール装置。
18. 前記被アニール半導体膜に対して、前記レーザ光を部分的に照射しつつ該レーザ光を相対走査する相対走査手段を備えたことを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載のレーザアニール装置。
19. 前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜であり、
    前記レーザ光の照射条件と相対走査条件とは、前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収パワー密度Ｐ（ＭＷ/ｃｍ^２）と前記レーザ光の相対走査速度ｖ（ｍ/ｓ）とが下記式（５）を充足する条件に設定されていることを特徴とする請求項１８に記載のレーザアニール装置。
    ０．４４ｖ^{０．３４１４３}≦Ｐ≦０．５６ｖ^{０．３４１４３}・・・（５）
20. 非結晶半導体からなる被アニール半導体膜に対して、請求項１〜９のいずれかに記載のレーザアニール方法を実施して製造されたものであることを特徴とする半導体膜。
21. 前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜であることを特徴とする請求項２０に記載の半導体膜。
22. 略全面がラテラル結晶からなることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の半導体膜。
23. 基板上に形成されたパターニングされていない半導体膜において、
    略全面がつなぎ目のないラテラル結晶膜であることを特徴とする半導体膜。
24. 請求項２０〜２３のいずれかに記載の半導体膜を用いて得られた活性層を備えたことを特徴とする半導体装置。
25. 請求項２４に記載の半導体装置を備えたことを特徴とする電気光学装置。