JP2009065138A - レーザ照射装置、レーザ照射方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

レーザ照射装置、レーザ照射方法及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】レーザ結晶化時に発生する結晶粒界の位置を制御することが可能なレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供することを課題とする。
【解決手段】レーザ発振器１０１から射出したレーザ光を、位相シフトマスク１０３を介して長軸方向の強度分布を有するレーザ光へと変調し、シリンドリカルレンズ１０４及びレンズ１０５によって、絶縁基板上に設けられた非晶質半導体膜に転写し、レーザ光を走査して、非晶質半導体膜を結晶化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光の照射装置及びレーザ光の照射方法に関する。また、そのレーザ照射装置を利用した半導体装置の製造方法に関する。
近年、ガラス基板上に形成された非晶質半導体膜にレーザ光（レーザビームとも表記する）を照射し、結晶構造を有する半導体膜（以下、結晶性半導体膜）を形成するレーザ結晶化技術が広く研究されており、多くの提案がなされている。結晶性半導体膜を用いて作製した半導体素子は、非晶質半導体膜と比較して高い移動度を有する。その結果、結晶性半導体膜を用いて作製した素子は、例えば、アクティブマトリクス型の液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等に利用することができる。
結晶化方法には、レーザ結晶化以外にファーネスアニール炉を用いた熱アニール法や、瞬間熱アニール法（ＲＴＡ法）もあるが、レーザ結晶化を用いた場合には、半導体膜に局所的に熱を吸収させて結晶化することができるため、プロセスの温度を比較的低温（一般的に６００℃以下）にすることができる。したがって、レーザ結晶化を用いることで、基板にガラスやプラスチック等の融点が低い物質を使用することができ、安価で大面積に加工が容易なガラス基板を用いることで、生産効率を著しく向上させることができる。
また、レーザはその発振方法により、パルス発振と連続発振の２種類に大別される。パルス発振の結晶化としては、エキシマレーザによる結晶化方法がある。エキシマレーザの波長は紫外域に属しており、珪素に対する吸収率が高い。そのため、エキシマレーザを用いると、珪素へ選択的に熱を与えることができる。例えば、エキシマレーザを用いる場合、レーザ発振器から射出される約１０ｍｍ×３０ｍｍの矩形状のレーザビームを、光学系によって、幅が数百μｍで長さが３００ｍｍ以上の線状のビームスポットに加工して基板上の珪素に照射する。ここで、「線状」とは、厳密な意味で「線」を意味しているのではなく、アスペクト比が高い矩形状、または楕円状のことを線状と呼ぶ。線状に加工されたビームスポットを基板上の珪素に対して相対的に走査させながら照射することにより、アニールを行い、結晶性珪素膜を得る。ビームスポットを走査させる方向を、ビームスポットの長さ（長軸）方向に対して直角方向にすることで高い生産性が得られる。
レーザ結晶化方法の別の方法として、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上と高いパルスレーザまたは連続発振のレーザ（以下、「ＣＷレーザ」と記す。ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）による結晶化方法がある。これらのレーザを線状のビームスポットに形成し、このビームスポットを走査しながら半導体膜に照射して、結晶性珪素膜を得る。この方法を用いることにより、エキシマレーザを照射して得られる結晶と比較して、粒径が非常に大きな結晶（以下、大粒径結晶と称する）領域を有する結晶性珪素膜を形成することができる（例えば、特許文献１を参照）。この大粒径結晶を薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴとも表記する）のチャネル領域に使用すると、チャネル方向に細長く、かつエキシマレーザを適用した結晶粒と比較して大きな結晶粒が得られるため、結晶粒界によるキャリアの散乱を低減でき、電子や正孔などのキャリアに対する電気的障壁が低くなる。その結果、電界効果移動度が１２０ｃｍ２／Ｖｓ以上のＴＦＴの作製が可能となる。
特開２００５−１９１５４６号公報
繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルスレーザまたはＣＷレーザを用いた結晶化は、レーザ発振器から射出されたレーザ光を光学系によって線状に整形して、半導体膜上を１００〜２０００ｍｍ／ｓｅｃ程度の一定速度で走査させながら照射することで行う。通常、図６（Ｂ）に示すように、基板１０、下地絶縁膜２０上に半導体膜３０が形成されている状態でレーザ光が照射される。このとき、得られる結晶は図６（Ａ）に示すように、レーザ光のエネルギー密度と密接な関係が存在し、レーザ光のエネルギー密度の上昇とともに、微結晶、小粒径結晶、大粒径結晶と変化していく。
ここでいう小粒径結晶とは、エキシマレーザを照射したときに形成される結晶と同様のものである。エキシマレーザを半導体膜に照射すると、半導体膜の表面層のみが部分的に溶融し、半導体膜と下地絶縁膜との界面に無数の結晶核がランダムに発生する。次に、結晶核から冷え固まる方向、つまり半導体膜と下地絶縁膜の界面から半導体膜の表面に向かう方向に結晶が成長する。よって比較的小さな結晶が無数に形成される。
ＣＷレーザや繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルスレーザを用いた結晶化でも、レーザビームの端部が照射された部分のように、小粒径結晶が形成される部分がある。それは、半導体膜が完全溶融するために必要な熱が半導体膜に供給されず、半導体膜が部分的に溶融している結果と理解できる。
半導体膜が完全に溶融する条件、すなわち図６（Ａ）において、エネルギーがＥ３以上のレーザビームを照射して結晶化を行うと、大粒径結晶が形成される。このとき、完全溶融した半導体膜中では無数の結晶核が発生し、固液界面の移動とともにそれぞれの結晶核からレーザビームの走査方向へ結晶成長する。結晶核の発生する位置は無作為であるため、不均一に結晶核が分布する。そして、互いの結晶粒がぶつかり合ったところで結晶成長が終了するため、結晶粒界の発生位置はランダムなものとなる。
しかしながら、高度または大規模の機能回路を基板上に形成するためには、結晶性半導体膜を用いて形成される半導体素子において、高い移動度を得ると同時にばらつきを低下させる必要があり、ランダムに発生する結晶粒界も半導体素子の特性をばらつかせる一因となっている。
そこで、本発明はレーザ結晶化時に発生する結晶粒界の位置を制御することが可能なレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供することを課題とする。また、電気特性が優れ、かつ半導体素子間での電気特性のばらつきが低減された半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
本発明のレーザ照射装置の一は、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器と、レーザ光に回折を生じさせて長軸方向の強度分布を変化させる位相シフトマスクと、位相シフトマスクによって回折したレーザ光を、照射面に結像させるシリンドリカルレンズと、位相シフトマスクによって回折したレーザ光を、照射面上で集光するためのレンズと、を有する。
また、本発明のレーザ照射方法の一は、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器から射出したレーザ光を、位相シフトマスクを介して長軸方向の強度分布を有するレーザ光へと変調し、シリンドリカルレンズ及びレンズによって照射面に転写する。
また、本発明の半導体装置の製造方法の一は、上記本発明のレーザ照射装置から射出されたレーザ光を、絶縁基板上に設けられた非晶質半導体膜に照射し、レーザ光を走査して、非晶質半導体膜を結晶化する。
本発明により、レーザ結晶化の際に、結晶粒界の発生位置が制御することができる。また、粒界発生の位置を制御された結晶を大面積にかつ歩留まり良く作製することが可能となる。
また、本発明により、結晶成長を、レーザ光の走査方向に沿って一方向に制御することができるため、従来の繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザまたはＣＷレーザによって得られる結晶と比較して、結晶粒の幅を大きくすることができ、かつ結晶粒の幅をほぼ一定とすることができるため、キャリアの散乱を著しく低減することができる。これにより、結晶性半導体膜を有する半導体素子において、半導体層の移動度を向上させることができる。
また、本発明のレーザ照射装置は位相シフトマスクを有し、その位相シフトマスクによる回折光をシリンドリカルレンズ及びレンズを用いて照射面へと結像及び集光（転写）している。これによって、位相シフトマスクと照射面との間に、十分な作業スペースを確保することができ、作業効率が向上する。
また、本発明により、半導体素子の半導体層の移動度が向上するため、良好な電気的特性を有する半導体素子を作製することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明のレーザ照射装置及びそれを用いた結晶性半導体膜の形成工程について説明する。
はじめに、図１乃至図３を用いて半導体層の結晶化に用いるレーザ照射装置に関して説明する。本発明のレーザ照射装置は、レーザ発振器１０１、ミラー１０２、光学系１１０、及びステージ１０６を有している。なお、本実施の形態において光学系１１０は位相シフトマスク１０３、シリンドリカルレンズ１０４及びレンズ１０５からなる（図１）。ただし本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えばレーザ発振器１０１とシリンドリカルレンズ１０４との間に、発振されたレーザ光の光強度を調整するアッテネータを設けても良い。また、ミラー１０２は必ずしも設ける必要はない。
レーザ発振器１０１としては、例えば、非線形結晶を用いて第二高調波に変換したレーザビームを発振するＣＷレーザを用いることができる。ここでは、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を用いる。レーザ光の波長は、特に第２高調波に限定する必要はないが、第２高調波はエネルギー効率の点で、さらに高次の高調波より優れている。
また、レーザ発振器１０１としては、ＹＶＯ４レーザに限定されず、その他のＣＷレーザ、または繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルスレーザ等を使用することができる。例えば、気体レーザとしては、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ２レーザ等があり、固体レーザとしては、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、ＧｄＶＯ４レーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、Ｙ２Ｏ３レーザ等を適用することができる。また、ＹＡＧレーザ、Ｙ２Ｏ３レーザ、ＧｄＶＯ４レーザ、ＹＶＯ４レーザは、セラミックスレーザであってもよい。金属蒸気レーザとしては、ヘリウムカドミウムレーザ等が挙げられる。また、Ｄｉｓｋレーザを用いてもよい。Ｄｉｓｋレーザの特徴としては、レーザ媒質の形状がディスクであるため冷却効率がよいこと、すなわちエネルギー効率とビーム品質がよいということが挙げられる。
なお、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルスレーザを疑似ＣＷレーザという。疑似ＣＷレーザは、ＣＷレーザと同様、レーザ光が照射されている部分を完全溶融状態に保つことができるため、レーザ光を走査することで、半導体膜中に固相液相の界面を移動させることができる。
また、レーザ発振器１０１において、レーザビームをＴＥＭ００（シングル横モード）で発振して射出すると、照射面１１１において得られる線状のビームスポットのエネルギー均一性を上げることができるので好ましい。
ここで、図２を用いて図１に示すレーザビーム照射装置の光学系１１０の一例について説明する。本実施の形態において、光学系１１０は、レーザ光の入射方向から順に、位相シフトマスク１０３、シリンドリカルレンズ１０４及びレンズ１０５を有している。なお、図２（Ａ）は、光学系１１０の上面図を示し、図２（Ｂ）は光学系１１０の側面図を示す。
位相シフトマスク１０３は、レーザ光の長軸方向と交差するようにストライプパターンの凹凸を有しており、レーザ光の光強度を、空間的にレーザ光の長軸方向に周期的に変調させるために用いる。位相シフトマスク１０３の有するストライプパターンの凹凸により、透過したレーザ光の位相を変調し、部分的に消滅干渉を生じさせて、レーザ光を周期的な強度を持つように変調することが可能である。ここでは、隣接する凹凸の間で位相差が１８０°となるような凹凸を設ける。位相シフトマスク１０３を通過したレーザ光は、長軸方向に周期的に複数の強度ピークを有する。
シリンドリカルレンズ１０４としては、特に制限はないが、非球面シリンドリカルレンズを用いると、透過するレーザ光の収差が抑えられ、焦点のずれが低減するため、特に、非球面シリンドリカルレンズを用いるのが好ましい。また、同様に、レンズ１０５としては特に制限はないが、非球面レンズを用いると、透過するレーザ光の収差が抑えられ、焦点のずれが低減するため、特に非球面レンズを用いるのが好ましい。
レーザ発振器１０１から射出されたレーザ光は、長軸方向については、まず、位相シフトマスク１０３を透過して回折を生じさせて、ストライプパターンを反映した長軸方向の強度分布を有するように強度分布を変化させる。次いで、位相シフトマスク１０３によって回折したレーザ光が、シリンドリカルレンズ１０４によって、照射面１１１に結像する。また、このとき位相シフトマスク１０３によるレーザ光の回折光は、レンズ１０５によって集光される（図２（Ａ））。
なお、ここで、シリンドリカルレンズ１０４の焦点距離をｆａとしたとき、位相シフトマスク１０３とシリンドリカルレンズ１０４との距離をｆａ、シリンドリカルレンズ１０４とレンズ１０５との距離を２ｆａとするのが好ましい。また、レンズ１０５の焦点距離をｆｂとしたとき、レンズ１０５と照射面１１１との距離をｆｂとするのが好ましい。
また、レーザ光の短軸方向については、レーザ発振器１０１から射出された後、位相シフトマスク１０３、シリンドリカルレンズ１０４を、形状を変化させることなく透過してレンズ１０５へと入射する。次いで、レンズ１０５によって短軸方向の集光がなされた後、照射面１１１において結像する（図２（Ｂ））。すなわち、本発明のレーザ照射装置は、光学系１１０を用いて位相シフトマスク１０３による長軸方向の強度分布を照射面１１１へと結像及び集光し、かつ、短軸方向の集光もおこなうことで、照射面１１１において所望の線状のビームスポットを形成することができる。本実施の形態においては、例えば長さが２５０μｍ、幅が５μｍ乃至１０μｍ程度の線状のビームスポットとする。
図３は、本発明で用いる位相シフトマスク１０３の概略図である。図３（Ａ）が位相シフトマスク１０３の側面図、図３（Ｂ）が位相シフトマスク１０３の上面図を示している。本発明で用いる位相シフトマスク１０３には凸部１５０及び凹部１６０からなる、周期的なストライプ状のパターンが形成されている。位相シフトマスク１０３は、平滑性が高く、透光性を有する基板をレーザ光により加工することで作製される。透光性を有する基板として、例えば、石英基板を用いることができる。位相シフトマスク１０３をレーザ光が通過すると、凸部１５０を通過したレーザ光では位相は反転しないが、凹部１６０を通過したレーザ光では位相が１８０°反転する。位相シフトマスク１０３を透過したレーザ光をレンズで集光することで、図３（Ｃ）に示すように、位相シフトマスク１０３の周期を反映した強度分布１３３を有するレーザ光とすることができる。
凹部の面と凸部の面には段差Δｔが設けられている。Δｔは、用いるレーザ光の波長λ、位相シフトマスクの材料における光の屈折率ｎ１及び空気中における光の屈折率ｎ０から、Δｔ＝λ／２（ｎ１−ｎ０）により求められる。
本実施の形態においては、位相シフトマスクの材料として石英を用いており、その屈折率ｎ１は１．４８６である。また、屈折率ｎ０は１．０００であり、本実施の形態において波長λは５３２ｎｍであるから、上記の式にしたがって、段差Δｔは５４７ｎｍと求められる。
なお、位相シフトマスクの材料は石英に限定されるものではなく、例えば、屈折率ｎが１．４６１の合成石英、屈折率ｎが１．５１９のＢＫ７または屈折率ｎが１．８１のＳＦ６等を用いることができる。合成石英で形成された位相シフトマスクに、５３２ｎｍのレーザ光を入射させる場合、上記の式にしたがって、段差Δｔは、５７７ｎｍとなる。同様に、ＢＫ７で形成された位相シフトマスクに、５３２ｎｍのレーザ光を入射させる場合、段差Δｔは、５１３ｎｍとなり、ＳＦ６で形成された位相シフトマスクに、５３２ｎｍのレーザ光を入射させる場合、段差Δｔは、３２８ｎｍとなる。また、位相シフトマスク１０３に反射防止コーティング（ＡＲコート：Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃｏａｔｉｎｇ）を施してもよい。
位相シフトマスク１０３の有するストライプパターンのピッチは、使用するレーザ発振器のエネルギーと、レーザ光の走査速度に応じて適宜選択することができる。本実施の形態においては、ストライプパターンのピッチを２μｍとする。
なお、位相シフトマスク１０３の前面（レーザ光の入射面）と裏面とで、レーザ光が干渉することがあるため、図３（Ｄ）に示すように位相シフトマスクをレーザ光の走査方向に対して、θ度傾けて配置するのが好ましい。位相シフトマスク１０３をこのように配置することで、位相シフトマスク１０３の表面と裏面とでおこる干渉を抑えることができ、長軸方向についてビームスポット内でのレーザ光強度のばらつきを低減させることができる。しかしながら、位相シフトマスク１０３を傾けることで、レーザ光の短軸方向についての強度分布において、極大点１３４及び極大点１３５が形成される。
ここで、１つのビームスポット内に２つの極大点を有すると、レーザ光の短軸方向についてのばらつきが生じてしまうため、当該２つの極大点１３４及び１３５の距離がビームスポットの幅の２分の１よりも離れて形成されるように、角度θを設定する必要がある。すなわち、ビームスポットの幅をφとし、位相シフトマスク１０３に入射したときのレーザ光の屈折角をθ’としたとき、角度θは、φ＜４ｄ・ｔａｎθ’・ｃｏｓθを満たす必要がある。なお、屈折角θ’は、位相シフトマスク１０３の厚さをｄとし、位相シフトマスクの材料における光の屈折率をｎとしたとき、θ’＝ｓｉｎ−１（θ／ｎ）で求められる。
図１に示すレーザ照射装置において、レーザ発振器１０１から射出されたレーザ光は、ミラー１０２によりステージ１０６上に設けられた照射面１１１に対して垂直方向に折り曲げられた後、光学系１１０へと入射する。光学系１１０を通過したレーザ光は、前述したように長軸方向の強度分布変化を有する線状のビームスポットに形成され、ステージ上の照射面１１１へと転送される。
さらに、ステージ１０６が、図１中の矢印の方向に一定速度で移動することにより、照射面１１１全体をレーザ照射することができる。本実施の形態においてステージ１０６はＸＹθステージであり、Ｘ軸、Ｙ軸またはθ軸方向に移動する機構を有する。なお、ビームスポットを走査させる方向を、ビームスポットの長軸方向に対して直角方向にすることで高い生産性が得られるため、長軸方向に垂直な方向に走査するのが好ましい。
なお、光学系１１０によって形成されるビームスポットの長さ方向のエネルギー分布はガウス分布であるため、その両端のエネルギー密度の低い箇所では小粒径結晶が形成される。そこで、大粒径結晶を形成するのに充分なエネルギーが照射面１１１に照射されるよう、レーザ発振器１０１と位相シフトマスク１０３との間にスリット等を設けレーザビームの端部を遮断する構成としてもよい。なお、スリットを設ける場合には、スリットと位相シフトマスク１０３との間に例えばシリンドリカルレンズを配置して、スリットによる像を位相シフトマスク１０３に結像し、さらに位相シフトマスク１０３によって形成される回折光を光学系１１０によって照射面１１１へと結像する。
本発明のレーザ照射装置は位相シフトマスク１０３による回折光をシリンドリカルレンズ１０４及びレンズ１０５を用いて、照射面１１１へと転写しているため、位相シフトマスク１０３と照射面１１１との間に、十分な作業スペースを確保することができる。
次いで、図１に示した本発明のレーザ照射装置を用いて、基板上に設けられた半導体膜を結晶化する工程について説明する（図４）。
基板には絶縁性基板として、ガラス基板２１１を用いる。ガラス基板２１１は特定のものに限定されず、石英ガラスでもよいし、ほう珪酸ガラスのような無アルカリガラスでもよいし、アルミノ珪酸ガラスでもよい。後の薄膜を形成する工程で必要な耐熱性等を有していればよい。なお、ガラス基板だけではなく、基板表面が絶縁性であり、必要な耐熱性を有していれば基板の材料は特定のものに限定されない。すなわち、薄膜を形成する工程における温度に耐えうる程度の耐熱性を有するプラスチック基板や、絶縁膜を形成したステンレス基板等を用いることもできる。
また、ホウケイ酸ガラス等は石英ガラスとは異なり、ナトリウム（Ｎａ）やカリウム（Ｋ）等の不純物を若干量含有している。これらの不純物が活性層周辺に拡散すると、活性層と下地膜との界面や、活性層とゲート絶縁膜との界面に寄生チャネル領域を形成する。これらは、半導体素子、例えば、ＴＦＴの動作時に発生するリーク電流を増加させる原因となる。また、これらの拡散した不純物はＴＦＴのしきい値電圧をシフトさせる原因ともなる。従って、ガラス基板２１１上にＴＦＴを作製するときには、ガラス基板とＴＦＴとの間に下地膜と呼ばれる、絶縁膜を挟み込む構造にすることが好ましい。
下地膜には、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐ機能と、この絶縁膜上に堆積する薄膜との密着性を高める機能が要求される。下地膜に用いる材料は特定のものに限定されず、酸化シリコン系材料でもよいし、窒化シリコン系材料でもよい。なお、酸化シリコン系材料とは酸素とシリコンを主成分とする酸化シリコンや、酸化シリコンが窒素を含有し、かつ、酸素の含有量が窒素の含有量よりも多い酸化窒化シリコンをいう。窒化シリコン系材料とは窒素とシリコンを主成分とする窒化シリコンや、窒化シリコンが酸素を含有し、窒素の含有量が酸素の含有量よりも多い窒化酸化シリコンをいう。または、これらの材料からなる膜を積層した構造であってもよい。積層を形成する場合には、ガラス基板２１１に密着する下層部分がブロッキング層として、主にガラス基板からの不純物の拡散を防ぐ材料を用い、上層部分が主にこの上に堆積する薄膜との密着性を高める材料を用いることが好ましい。
本実施の形態では、ガラス基板２１１上に下地膜２１２として、厚さ５０ｎｍ乃至１５０ｎｍの酸化窒化シリコン上に厚さ５０ｎｍ乃至１５０ｎｍの窒化酸化シリコンを積層して形成する。安価なコーニングガラス等を基板に用いて、ＴＦＴ部がこの上に密着して形成されるとナトリウム等の可動イオンが侵入する。そのため、窒化シリコン膜はブロッキング層として形成されるものである。下地膜２１２は、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、スピンコート法等の方法により形成することができる。なお、下地膜は特に必要のない場合には形成しなくともよい。
次に、下地膜２１２上に非晶質半導体膜２１３を形成する（図４（ａ））。ここでは、非晶質半導体膜２１３は非晶質シリコンを用いて形成する。非晶質半導体膜２１３を形成するには、シラン（ＳｉＨ４）等の半導体材料ガスを用いて、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＶＤ）法、プラズマＣＶＤ法、気相成長法やスパッタリング法により形成する。非晶質半導体膜２１３は、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さ、好ましくは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さ、さらに好ましくは２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下の厚さとする。
なお、非晶質半導体膜２１３については、本実施の形態では非晶質シリコンを用いるが、多結晶シリコンを用いてもよいし、またシリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ＜０．１））なども用いることができるし、さらに単結晶がダイヤモンド構造であるシリコンカーバイト（ＳｉＣ）を用いることができる。
次いで、必要に応じて、非晶質半導体膜２１３の表面に自然酸化等によって形成された酸化膜を除去する。表面に形成された酸化膜を除去することで、酸化膜中又は酸化膜上に存在する不純物が結晶化によって半導体膜中に侵入して拡散することを防止することができる。
次に、非晶質半導体膜２１３の結晶化を行う。本発明では、非晶質半導体膜２１３の結晶化には図１に示したレーザ照射装置を用いる。具体的には、図１に示したレーザ照射装置のステージ１０６上にガラス基板２１１を配置し、ステージ１０６を走査させてガラス基板２１１の全面にレーザ光を照射する。つまり、本実施の形態においては図１の照射面１１１が、図４における非晶質半導体膜２１３にあたる。
上述したように、本発明のレーザ照射装置はレーザ発振器としてＣＷレーザ、または疑似ＣＷレーザを用いている。ＣＷレーザを半導体膜に照射すると、連続的に半導体膜にエネルギーが与えられるため、一旦半導体膜を溶融状態にすると、溶融状態を継続させることができる。さらに、レーザ光を走査することによって半導体膜の固液界面を移動させ、この移動の方向に沿って一方向に長い結晶粒を形成することができる。また、疑似ＣＷレーザを半導体膜の照射に用いると、半導体膜が溶融してから固化するまでの時間よりもレーザのパルス間隔が短ければ、常に半導体膜を溶融状態にとどめることができ、固液界面の移動により一方向に長い結晶粒で構成される半導体膜を形成することができる。
本実施の形態では、レーザ光はストライプパターンを有する位相シフトマスクを介して、非晶質半導体膜の表面に照射される。一般に、非晶質半導体膜にレーザ光を照射した際に、完全溶融している面積が大きいと、完全溶融した領域内の様々な場所から初期結晶核生成がおこり、その各々の結晶核が成長、衝突を繰り返して無秩序な結晶成長が起こる。しかしながら、本実施の形態においてレーザ光は、長軸方向において位相シフトマスクのストライプパターンを反映した強度分布を有するため、その温度勾配によって粒界が残りやすい場所を局所的かつ周期的に配置することができ、ストライプパターンのピッチと同程度の幅を有する結晶帯をレーザ光の照射方向に生成することができる。すなわち、本発明のレーザ照射装置を非晶質半導体膜の結晶化に用いることで、結晶の核生成の位置を制御することができる。
なお、本発明で用いるレーザ光は非晶質半導体膜２１３に吸収される波長であればよい。本実施の形態では非晶質半導体膜２１３にシリコンを用いているため、用いるレーザ光の波長はシリコンに吸収される、８００ｎｍ以下のものであればよく、好ましくは２００〜５００ｎｍ程度とし、より好ましくは３５０〜５５０ｎｍ程度とする。
なお、非晶質半導体膜２１３を結晶化する前に、必要に応じて脱水素工程を行ってもよい。例えば、シラン（ＳｉＨ４）を用いて通常のＣＶＤ法により非晶質半導体膜２１３を形成すると、膜中に水素が残留する。しかしながら、膜中に水素が残留した状態で半導体膜にレーザ光を照射すると、結晶化に最適なエネルギー値の半分程度のエネルギー値のレーザ光により膜の一部が消失してしまう。そこで、Ｎ２雰囲気中で加熱して膜中に残留している水素を低減又は除去しておくのが好ましい。非晶質半導体膜２１３の形成をＬＰＣＶＤ法や、スパッタリング法にて行う場合には、脱水素工程は必ずしも必要ではない。
また、非晶質半導体膜２１３の結晶化を行う前に、必要に応じて、チャネルドープを行ってもよい。チャネルドープとは、半導体層の活性層中に所定の濃度の不純物を添加して、意図的にＴＦＴの閾値電圧をシフトさせ、ＴＦＴの閾値を所望の値に制御することをいう。例えば、閾値電圧がマイナス側にシフトしている場合にはドーパントとしてｐ型の不純物元素を、プラス側にシフトしている場合にはドーパントにｎ型の不純物元素を添加する。ここで、ｐ型の不純物元素としてリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）、ｎ型の不純物元素としてボロン（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）等が挙げられる。
また、本発明の半導体装置の製造方法において、レーザビームによる結晶化の前に、結晶化を助長する元素（以下、触媒元素）を用いた結晶化工程を設けてもよい。触媒元素としては、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）といった元素を用いることができる。触媒元素を用いた結晶化工程の後に、レーザビームによる結晶化工程を行うと、触媒元素による結晶化の際に形成された結晶が、レーザビームの照射により溶融されずに残存し、この結晶を結晶核として結晶化が進む。
そのため、レーザビームによる結晶化工程のみの場合に比べて、より半導体膜の結晶性を高めることができ、レーザビームによる結晶化後の半導体膜表面の荒れが抑えられる。すなわち触媒元素を用いて結晶化を行うことで、後に形成される半導体素子（例えばＴＦＴ）の特性のばらつきをより抑えることができる。なお、触媒元素を添加してから加熱処理を行って結晶化を促進してから、レーザビームの照射により結晶性をより高めていてもよいし、加熱処理の工程を省略してもよい。具体的には、触媒元素を添加してから加熱処理の代わりにレーザビームを照射し、結晶性を高めるようにしてもよい。
以上述べたように、本発明を適用して、図４（Ｂ−１）及び（Ｂ−２）に示すように、結晶の核生成場所が制御され、粒界が一方向に延びた、大粒径結晶により形成される結晶性半導体膜２１４を得ることができる。また、本発明により、結晶の核生成場所を制御できるため、結晶粒界の生成場所、生成する方向と単位面積あたりの本数を制御できる。なお、図４において、（Ｂ−１）は結晶性半導体膜２１４が形成されたガラス基板２１１の側面図を示し、（Ｂ−２）は結晶性半導体膜２１４が形成されたガラス基板２１１の上面図を示す。
なお、本発明の結晶性半導体膜は図４（Ｂ−２）に示されるように、一方向に延びた、複数の結晶帯の境界２１４ｂが存在し、結晶帯の境界２１４ｂにより仕切られた領域が一の結晶帯２１４ａとなる。なお、結晶帯２１４ａは、一又は複数の結晶粒からなるが、一の結晶粒からなることが好ましい。一の結晶粒からなる結晶帯とすることで、単結晶と同様に粒界の存在しない多結晶半導体を形成することができる。
結晶帯２１４ａ中に任意の一点（図４（Ｂ−２）中、点Ｐ）をとり、その任意の一点から一つの結晶帯の境界２１４ｂに平行に引いた線分は、他の結晶帯の境界２１４ｂと交差しない。また、本実施の形態によれば、結晶帯２１４ａ中に、結晶帯の境界２１４ｂと交差するような結晶粒界は形成されていない。したがって、結晶帯２１４ａの領域内にＴＦＴのチャネル形成領域を設け、且つ、チャネル長の方向を、結晶帯の境界２１４ｂとほぼ平行な方向となるように設けることで、移動度が高く、電気的特性が良好なＴＦＴを作製することができる。
さらに、本発明のレーザ照射装置は、位相シフトマスクによる回折光をシリンドリカルレンズ及びレンズを用いて照射面へと転写している。これによって、照射するレーザ光の長軸方向の強度分布の周期性を保ちつつ、位相シフトマスクと照射面との間に、十分な作業スペースを確保することができ、作業効率が向上する。
また、本発明により良好な電気的特性を有するＴＦＴを作製できるため、従来よりも高機能な回路素子を形成することができる。これにより、従来よりも高付加価値な半導体装置をガラス基板上に作製することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で示した結晶性半導体膜の作製工程とは別の作製工程によって、結晶性半導体膜を作製する方法を説明する。なお、実施の形態１と重複する構成は、簡略化及び一部省略して説明する。
まず、実施の形態１で図４を用いて説明した作製工程と同様に、ガラス基板２１１上に、下地膜２１２及び非晶質半導体膜２１３を成膜する。なお、非晶質半導体膜２１３を形成した後、電気炉内で５００℃、１時間加熱してもよい。この加熱処理は、非晶質半導体膜から水素を出すための処理である。なお、水素を出すのは、レーザ光を照射したときに非晶質半導体膜２１３から水素ガスが噴出することを防ぐためであり、非晶質半導体膜２１３に含まれる水素が少なければ省略できる。
次に、非晶質半導体膜２１３上に厚さ２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のキャップ膜２１５を形成する（図５（Ａ））。キャップ膜２１５としては、レーザ光の波長に対し十分な透過率を持ち、熱膨張係数などの熱的な値や延性などの値が隣接する半導体膜と近いものであることが好ましい。さらに、キャップ膜２１５は、後に形成される薄膜トランジスタのゲート絶縁膜と同等の固く緻密な膜であることが好ましいが、そのような固く緻密な膜は、例えば成膜レートを低くすることにより形成することができる。成膜速度は１ｎｍ／ｍｉｎ以上４００ｎｍ／ｍｉｎ以下、好ましくは１ｎｍ／ｍｉｎ以上１００ｎｍ／ｍｉｎがよい。
なお、キャップ膜に水素が多く含まれている場合には、非晶質半導体膜２１３と同様に、水素を出すための加熱処理を行うのが好ましい。
キャップ膜２１５は、窒化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸素を含む窒化珪素膜等を一層で形成することができる。また、窒素を含む酸化珪素膜と酸素を含む窒化珪素膜を積層したキャップ膜や、酸素を含む窒化珪素膜と窒素を含む酸化珪素膜を積層したキャップ膜を形成することができる。さらには、キャップ膜として複数の膜を積層させ、且つ薄膜による光の干渉効果を利用して非晶質半導体膜２１３の光吸収効率を高めることができる。このような構造のキャップ膜を用いることにより、少ないエネルギーのレーザ光を用いて非晶質半導体膜２１３を結晶化することが可能であるため、コスト削減が可能である。
本実施の形態では、キャップ膜２１５として厚さ２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の酸素を０．１〜１０ａｔｏｍｉｃ％含み、且つ珪素に対する窒素の組成比が１．３以上１．５以下である窒化珪素膜を成膜する。
このキャップ膜２１５については、本実施の形態ではモノシラン（ＳｉＨ４）、アンモニア（ＮＨ３）及び亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を反応ガスとして、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ３００ｎｍの酸素を含む窒化珪素膜を成膜する。なお、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）は酸化剤として用いるものであり、その代わりに酸化作用のある酸素を用いてもよい。
次いで、ガラス基板２１１を図１に示した本発明のレーザ照射装置のステージ上に載置して、キャップ膜２１５を上面からレーザ光を照射して非晶質半導体膜２１３を結晶化し、結晶性半導体膜２１４を形成する（図５（Ｂ））。また、キャップ膜２１５は非晶質半導体膜２１３を結晶化した後に除去する（図５（Ｃ））。
以上に示した工程によって、結晶性半導体膜２１４を得ることができる。本発明のレーザ照射装置は、前述したようにレーザ光の長軸方向に強度分布を有する線状のビームスポットを形成することが可能であり、このようなレーザ光を基板全面に照射することで、レーザ光の強度分布に依存した結晶帯を有する本発明の結晶性半導体膜を形成することができる。
本実施の形態によれば、結晶帯の境界と交差するような結晶粒界は形成されていないため、ＴＦＴのチャネル長の方向を、結晶帯の境界とほぼ平行な方向となるようにＴＦＴを設けることで、移動度が高く、電気的特性が良好なＴＦＴを作製することができる。
また、本発明により良好な電気的特性を有するＴＦＴを作製できるため、従来よりも高機能な回路素子を形成することができる。これにより、従来よりも高付加価値な半導体装置をガラス基板上に作製することができる。
また、本実施の形態おいては、非晶質半導体膜２１３にキャップ膜２１５を介してレーザ光を照射しているため、非晶質半導体膜２１３に直接レーザ光を照射した場合と比較して、表面荒れを抑制することができる。これによって、結晶性半導体膜を用いて作製された半導体素子において、半導体膜とゲート絶縁膜を密着させることができ、ゲート絶縁膜を薄膜化した場合にも優れた絶縁耐圧を有する素子とすることができる。
なお、本実施の形態は他の実施の形態と自由に組み合わせることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態において、本発明のレーザ照射装置を用いて作製した結晶性半導体膜を用いて、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製する工程の一例について説明する。なお、本実施の形態ではトップゲート型（順スタガ型）ＴＦＴの作製方法を記載しているが、トップゲート型ＴＦＴに限らず、ボトムゲート型（逆スタガ型）ＴＦＴなどでも同様に本発明を用いることができる。また、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
まず、図７（Ａ）に示すように、ガラス基板２１１上に、下地膜２１２としての窒化シリコン膜及び酸化シリコン膜と、本発明のレーザ照射装置を用いて結晶化された結晶性半導体膜２１４とを、順次積層して成膜する。なお、結晶性半導体膜２１４を形成するまでの工程は、実施の形態１または２に示す工程と同様に行うことができる。
結晶性半導体膜２１４は、線状のビームスポットを図７（Ａ）に示した矢印の方向に向かって走査することで、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒が形成された複数の結晶帯を有している。本実施の形態では、結晶帯の境界と、ＴＦＴのチャネルのキャリア移動方向とをほぼ平行に形成する。したがって、チャネルのキャリア移動方向には結晶粒界のほとんど存在しないＴＦＴの形成が可能となる。
次に、図７（Ｂ）に示すように、結晶性半導体膜２１４をエッチングし、島状の半導体膜７０４〜７０７を形成する。次に、その島状の半導体膜７０４〜７０７を覆うようにゲート絶縁膜７０８を形成する。ゲート絶縁膜７０８には、例えば酸化シリコン、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコン等を用いることができる。その際の成膜方法には、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることができる。例えば、スパッタ法を用いて、膜厚３０ｎｍ〜２００ｎｍの珪素を含む絶縁膜を形成すればよい。
次に、ゲート絶縁膜７０８上に導電膜を形成しエッチングすることでゲート電極を形成する。その後、ゲート電極、又はレジストを形成しエッチングしたものをマスクとして用い、島状の半導体膜７０４〜７０７にｎ型またはｐ型の導電性を付与する不純物を選択的に添加し、ソース領域、ドレイン領域、さらにはＬＤＤ領域を形成する。これによって、ｎ型又はｐ型のトランジスタ７１０、７１２と、トランジスタ７１０、７１２とは逆の導電型のトランジスタ７１１、７１３を同一基板上に形成することができる（図７（Ｃ））。続いて、それらの保護膜として絶縁膜７１４を形成する。この絶縁膜７１４には、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、膜厚１００ｎｍ〜２００ｎｍの珪素を含む絶縁膜を、単層又は積層構造として形成すれば良い。例えば、プラズマＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素膜を形成すればよい。
次いで、絶縁膜７１４上に、有機絶縁膜７１５を形成する。有機絶縁膜７１５としては、ＳＯＧ法によって塗布されたポリイミド、ポリアミド、ＢＣＢ、アクリル等の有機絶縁膜を用いる。有機絶縁膜７１５は、ガラス基板２１１上に形成されたＴＦＴによる凹凸を緩和し、平坦化する意味合いが強いので、平坦性に優れた膜が好ましい。さらに、フォトリソグラフィー法を用いて、絶縁膜７１４及び有機絶縁膜７１５をパターン加工して、不純物領域に達するコンタクトホールを形成する。
次に、導電性材料を用いて、導電膜を形成し、該導電膜をパターン加工して、配線７１６〜７２３を形成する。その後、保護膜として絶縁膜７２４を形成すると、図７（Ｃ）に図示するような半導体装置が完成する。
なお、本発明に係る半導体装置の作製方法は、上述したＴＦＴの作製工程に限定されない。例えば、ＴＦＴの構造を、ゲート絶縁膜を介してＬＤＤ領域をゲート電極と重ねて配置させた、いわゆるＧＯＬＤ（Ｇａｔｅ−ｄｒａｉｎ Ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ ＬＤＤ）構造としてもよい。また、レーザビームによる結晶化の前に、触媒元素を用いた結晶化工程を設けてもよい。その触媒元素としては、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）といった元素を用いることができる。
本発明を適用して形成された結晶性半導体膜は、結晶の核生成場所が制御され、粒界が一方向に延びた、大粒径結晶により形成されている。したがって、本発明に係る結晶性半導体膜を用いることで、移動度が向上するため、良好な電気的特性を有する半導体装置を作製することができる。また、本発明を用いた半導体装置の作製方法は、集積回路や半導体表示装置の作製方法にも用いることができる。ドライバやＣＰＵなどの機能回路を用途としたトランジスタは、ＬＤＤ構造又はＬＤＤがゲート電極とオーバーラップする構造が好適である。本実施の形態により完成されるトランジスタ７１０〜７１３は、ＬＤＤ構造を有するため、低いＩｏｆｆ値が必要な駆動回路に用いることが好適である。
（実施の形態４）
本発明に係る半導体装置は、ＣＰＵ（中央演算回路：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の集積回路に適用することができる。本実施の形態では、本発明を用いて作製した半導体装置を適用したＣＰＵの例に関して、図面を用いて以下に説明する。
図８に示すＣＰＵ３６６０は、基板３６００上に演算回路（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）３６０１、演算回路用制御回路部（ＡＬＵ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３６０２、命令解析部（Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｃｏｄｅｒ）３６０３、割り込み制御部（Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３６０４、タイミング制御部（Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３６０５、レジスタ（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）３６０６、レジスタ制御部（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３６０７、バスインターフェース（Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ）３６０８、書き換え可能なＲＯＭ３６０９、ＲＯＭインターフェース（ＲＯＭ Ｉ／Ｆ）３６２０を主に有している。また、ＲＯＭ３６０９及びＲＯＭインターフェース３６２０は、別チップに設けても良い。これらＣＰＵ３６６０を構成する様々な回路は、本発明のレーザ照射装置によって結晶化された結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタ、その薄膜トランジスタを組み合わせたＣＭＯＳ回路、ｎＭＯＳ回路、ｐＭＯＳ回路等を用いて構成することが可能である。
図８に示すＣＰＵ３６６０は、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。したがって、本発明を適用するＣＰＵの構成は、図８に示すものに限定されるものではない。
バスインターフェース３６０８を介してＣＰＵ３６６０に入力された命令は、命令解析部３６０３に入力され、デコードされた後、演算回路用制御回路部３６０２、割り込み制御部３６０４、レジスタ制御部３６０７、タイミング制御部３６０５に入力される。
演算回路用制御回路部３６０２、割り込み制御部３６０４、レジスタ制御部３６０７、タイミング制御部３６０５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行う。具体的に演算回路用制御回路部３６０２は、演算回路３６０１の駆動を制御するための信号を生成する。また、割り込み制御部３６０４は、ＣＰＵ３６６０のプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタ制御部３６０７は、レジスタ３６０６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ３６０６の読み出しや書き込みを行う。
またタイミング制御部３６０５は、演算回路３６０１、演算回路用制御回路部３６０２、命令解析部３６０３、割り込み制御部３６０４、レジスタ制御部３６０７の駆動のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミング制御部３６０５は、基準クロック信号ＣＬＫ１（３６２１）を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２（３６２２）を生成する内部クロック生成部を備えており、クロック信号ＣＬＫ２を上記各種回路に供給する。
ここで、ＣＰＵ３６６０に適用することができるＣＭＯＳ回路の一例を示す（図９参照）。図９に示すＣＭＯＳ回路は、基板８００上に下地膜として機能する絶縁層８０２、８０４を介して、トランジスタ８１０及びトランジスタ８２０が形成されている。また、トランジスタ８１０及びトランジスタ８２０を覆うように絶縁層８３０が形成され、該絶縁層８３０を介してトランジスタ８１０又はトランジスタ８２０と電気的に接続される導電層８４０が形成されている。また、トランジスタ８１０及びトランジスタ８２０は、導電層８４０により電気的に接続されている。また、トランジスタ８１０及びトランジスタ８２０は、本発明のレーザ照射装置を用いて結晶化した結晶性半導体膜を活性層として用いている。
基板８００は、絶縁表面を有する基板を用いればよい。例えばガラス基板、石英基板、サファイア基板、セラミック基板、表面に絶縁層が形成された金属基板などを用いることができる。
絶縁層８０２、８０４は、ＣＶＤ法やスパッタリング法やＡＬＤ法を用いて、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等の材料を用いて形成する。絶縁層８０２、８０４は、基板８００からトランジスタ８１０及びトランジスタ８２０へアルカリ金属等が拡散して汚染されることを防ぐブロッキング層として機能する。また、基板８００の表面に凹凸がある場合、平坦化する層としても機能することができる。なお、絶縁層８０２、８０４は、基板８００からの不純物拡散や基板８００表面の凹凸が問題とならなければ、形成しなくともよい。また、ここでは下地絶縁層を２層構造としているが、単層構造でも、３層以上の積層構造としてもよい。
トランジスタ８１０及びトランジスタ８２０は、相異なる導電型を有するものとする。例えば、トランジスタ８１０をｎチャネルトランジスタとし、トランジスタ８２０をｐチャネルトランジスタで形成すればよい。
絶縁層８３０は、ＣＶＤ法やスパッタリング法、ＡＬＤ法、塗布法等により、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等の酸素若しくは窒素を含む無機絶縁材料や、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等の炭素を含む絶縁材料、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルフェノール、ベンゾシクロブテン、アクリル等の有機絶縁材料またはシロキサン樹脂等のシロキサン材料を用いて形成する。なお、シロキサン材料とは、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む材料に相当する。シロキサンは、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨格構造が構成される。置換基として、少なくとも水素を含む有機基（例えばアルキル基、芳香族炭化水素）が用いられる。置換基として、フルオロ基を用いることもできる。または置換基として、少なくとも水素を含む有機基と、フルオロ基とを用いてもよい。また、絶縁層８３０は、ＣＶＤ法やスパッタリング法、ＡＬＤ法を用いて絶縁層を形成した後、当該絶縁層に酸素雰囲気下又は窒素雰囲気下で高密度プラズマ処理を行うことにより形成してもよい。ここでは絶縁層８３０は単層構造の例を示すが、２層以上の積層構造としてもよい。また、無機絶縁層や、有機絶縁層を組み合わせて形成してもよい。
導電層８４０は、ＣＶＤ法やスパッタリング法を用いて、アルミニウム、タングステン、チタン、タンタル、モリブデン、ニッケル、白金、銅、金、銀、マンガン、ネオジム、炭素、シリコン等の金属元素、又は当該金属元素を含む合金材料若しくは化合物材料を用いて、単層構造又は積層構造で形成する。アルミニウムを含む合金材料としては、例えば、アルミニウムを主成分としニッケルを含む材料、又は、アルミニウムを主成分とし、ニッケルと、炭素とシリコンの一方又は両方とを含む合金材料があげられる。導電層８４０は、例えば、バリア層とアルミニウムシリコン層とバリア層の積層構造、バリア層とアルミニウムシリコン層と窒化チタン層とバリア層の積層構造を採用することができる。なお、バリア層とは、チタン、チタンの窒化物、モリブデン、又はモリブデンの窒化物からなる薄膜に相当する。アルミニウムやアルミニウムシリコンは抵抗値が低く、安価であるため、導電層８４０を形成する材料として最適である。また、上層と下層のバリア層を設けると、アルミニウムやアルミニウムシリコンのヒロックの発生を防止することができるため好ましい。
導電層８４０は、ソース電極又はドレイン電極として機能する。導電層８４０は、絶縁層８３０に形成された開口を介してトランジスタ８１０、トランジスタ８２０と電気的に接続される。具体的には、導電層８４０は、トランジスタ８１０のソース領域又はドレイン領域、トランジスタ８２０のソース領域又はドレイン領域と電気的に接続される。また、トランジスタ８１０のソース領域又はドレイン領域は、トランジスタ８２０のソース領域又はドレイン領域と、導電層８４０を間に介して電気的に接続される。以上により、ＣＭＯＳ回路を形成することができる。
また、図１０には、画素部と、ＣＰＵ、その他の回路が同一基板に形成された表示装置、いわゆるシステムオンパネルを示す。基板３７００上に画素部３７０１、当該画素部３７０１が有する画素を選択する走査線駆動回路３７０２と、選択された画素にビデオ信号を供給する信号線駆動回路３７０３とが設けられている。走査線駆動回路３７０２、及び信号線駆動回路３７０３から引き回される配線によりＣＰＵ３７０４、その他の回路（例えばコントロール回路３７０５）が接続されている。なおコントロール回路にはインターフェースが含まれている。そして、基板の端部にＦＰＣ端子との接続部を設け、外部信号とのやりとりを行う。
その他の回路としては、コントロール回路３７０５の他、映像信号処理回路、電源回路、階調電源回路、ビデオＲＡＭ、メモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＰＲＯＭ）等を設けることができる。またこれら回路は、ＩＣチップにより形成し、基板上に実装してもよい。さらに必ずしも走査線駆動回路３７０２、及び信号線駆動回路３７０３を同一基板に形成する必要はなく、例えば走査線駆動回路３７０２のみを同一基板に形成し、信号線駆動回路３７０３をＩＣチップにより形成し、実装してもよい。
なお、本実施の形態では、本発明に係る半導体装置をＣＰＵに適用する例を説明したが、本発明は特に限定されない。例えば、本発明に係る半導体装置は、有機発光素子、無機発光素子、又は液晶表示素子等を備えた表示装置の画素部または駆動回路部等に適用することができる。また、その他、本発明を適用して、デジタルカメラ、カーオーディオなどの音響再生装置、ノート型パーソナルコンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末（携帯電話機、携帯型ゲーム機等）、家庭用ゲーム機などの記録媒体を備えた画像再生装置などを作製することも可能である。
本発明に係る結晶性半導体膜を用いることで、良好な電気的特性を有する半導体装置を作製することができる。さらに、本発明を適用した半導体装置は、トランジスタ等の半導体素子の特性ばらつきを抑制することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能になる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態で示した半導体装置の使用形態の一例について説明する。具体的には、非接触でデータの入出力が可能である半導体装置の適用例に関して、図面を用いて以下に説明する。非接触でデータの入出力が可能である半導体装置は利用の形態によって、ＲＦＩＤタグ、ＩＤタグ、ＩＣタグ、ＩＣチップ、ＲＦタグ、無線タグ、電子タグまたは無線チップとも呼ばれる。
本実施の形態で示す半導体装置の上面構造の一例について、図１１（Ａ）を参照して説明する。図１１に示す半導体装置２１８０は、メモリ部やロジック部を構成する複数の薄膜トランジスタ等の素子が設けられた薄膜集積回路２１３１と、アンテナとして機能する導電層２１３２を含んでいる。アンテナとして機能する導電層２１３２は、薄膜集積回路２１３１に電気的に接続されている。薄膜集積回路２１３１には、本発明のレーザ照射装置によって結晶化された結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタを適用することができる。
また、図１１（Ｂ）、（Ｃ）に図１１（Ａ）の断面の模式図を示す。アンテナとして機能する導電層２１３２は、メモリ部及びロジック部を構成する素子の上方に設ければよく、例えば、上記実施の形態で示した薄膜トランジスタで構成された薄膜集積回路２１３１上方に、絶縁層２１３０を介してアンテナとして機能する導電層２１３２を設けることができる（図１１（Ｂ）参照）。他にも、アンテナとして機能する導電層２１３２を基板２１３３に別に設けた後、当該基板２１３３及び薄膜集積回路２１３１を、導電層２１３２が間に位置するように貼り合わせて設けることができる（図１１（Ｃ）参照）。図１１（Ｃ）では、絶縁層２１３０上に設けられた導電層２１３６とアンテナとして機能する導電層２１３２とが、接着性を有する樹脂２１３５中に含まれる導電性粒子２１３４を介して電気的に接続されている例を示す。
なお、本実施の形態では、アンテナとして機能する導電層２１３２をコイル状に設け、電磁誘導方式または電磁結合方式を適用する例を示すが、本発明の半導体装置はこれに限られずマイクロ波方式を適用することも可能である。マイクロ波方式の場合は、用いる電磁波の波長によりアンテナとして機能する導電層２１３２の形状を適宜決めればよい。
例えば、半導体装置２１８０における信号の伝送方式として、マイクロ波方式（例えば、ＵＨＦ帯（８６０ＭＨｚ帯乃至９６０ＭＨｚ帯）、２．４５ＧＨｚ帯等）を適用する場合には、信号の伝送に用いる電磁波の波長を考慮してアンテナとして機能する導電層の長さ等の形状を適宜設定すればよい。例えば、アンテナとして機能する導電層を線状（例えば、ダイポールアンテナ（図１２（Ａ）参照））、平坦な形状（例えば、パッチアンテナ（図１２（Ｂ）参照）またはリボン型の形状（図１２（Ｃ）、（Ｄ）参照））等に形成することができる。また、アンテナとして機能する導電層２１３２の形状は直線状に限られず、電磁波の波長を考慮して曲線状や蛇行形状またはこれらを組み合わせた形状で設けてもよい。
アンテナとして機能する導電層２１３２は、ＣＶＤ法、スパッタ法、スクリーン印刷やグラビア印刷等の印刷法、液滴吐出法、ディスペンサ法、メッキ法等を用いて、導電性材料により形成する。導電性材料は、アルミニウム、チタン、銀、銅、金、白金、ニッケル、パラジウム、タンタル、モリブデン等の金属元素、又は当該金属元素を含む合金材料若しくは化合物材料で、単層構造又は積層構造で形成する。
例えば、スクリーン印刷法を用いてアンテナとして機能する導電層２１３２を形成する場合には、粒径が数ｎｍから数十μｍの導電体粒子を有機樹脂に溶解または分散させた導電性のペーストを選択的に印刷することによって設けることができる。導電体粒子としては、銀、金、銅、ニッケル、白金、パラジウム、タンタル、モリブデンおよびチタン等のいずれか一つ以上の金属粒子やハロゲン化銀の微粒子、または分散性ナノ粒子を用いることができる。また、導電性ペーストに含まれる有機樹脂は、金属粒子のバインダー、溶媒、分散剤および被覆材として機能する有機樹脂から選ばれた一つまたは複数を用いることができる。代表的には、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等の有機樹脂が挙げられる。また、導電層の形成の際は、導電性のペーストを押し出した後に焼成することが好ましい。例えば、導電性のペーストの材料として、銀を主成分とする微粒子（例えば粒径１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の微粒子）を用いる場合、１５０℃乃至３００℃の温度範囲で焼成することにより硬化させて導電層を形成することができる。また、はんだや鉛フリーのはんだを主成分とする微粒子を用いてもよく、この場合は粒径２０μｍ以下の微粒子を用いることが好ましい。はんだや鉛フリーはんだは、低コストであるといった利点を有している。
次に、本実施の形態に係る半導体装置の動作例について説明する。
半導体装置２１８０は、非接触でデータを交信する機能を有し、高周波回路８１、電源回路８２、リセット回路８３、クロック発生回路８４、データ復調回路８５、データ変調回路８６、他の回路の制御を行う制御回路８７、記憶回路８８およびアンテナ８９を有している（図１３（Ａ）参照）。高周波回路８１はアンテナ８９より信号を受信して、データ変調回路８６より受信した信号をアンテナ８９から出力する回路である。電源回路８２は受信信号から電源電位を生成する回路である。リセット回路８３はリセット信号を生成する回路である。クロック発生回路８４はアンテナ８９から入力された受信信号を基に各種クロック信号を生成する回路である。データ復調回路８５は受信信号を復調して制御回路８７に出力する回路である。データ変調回路８６は制御回路８７から受信した信号を変調する回路である。また、制御回路８７としては、例えばコード抽出回路９１、コード判定回路９２、ＣＲＣ判定回路９３および出力ユニット回路９４が設けられている。なお、コード抽出回路９１は制御回路８７に送られてきた命令に含まれる複数のコードをそれぞれ抽出する回路であり、コード判定回路９２は抽出されたコードとリファレンスに相当するコードとを比較して命令の内容を判定する回路であり、ＣＲＣ判定回路９３は判定されたコードに基づいて送信エラー等の有無を検出する回路である。図１３（Ａ）では、制御回路８７の他に、アナログ回路である高周波回路８１、電源回路８２を含んでいる。
次に、上述した半導体装置の動作の一例について説明する。まず、アンテナ８９により無線信号が受信される。無線信号は高周波回路８１を介して電源回路８２に送られ、高電源電位（以下、ＶＤＤと記す）が生成される。ＶＤＤは半導体装置２１８０が有する各回路に供給される。また、高周波回路８１を介してデータ復調回路８５に送られた信号は復調される（以下、復調信号という）。さらに、高周波回路８１を介してリセット回路８３およびクロック発生回路８４を通った信号及び復調信号は制御回路８７に送られる。制御回路８７に送られた信号は、コード抽出回路９１、コード判定回路９２およびＣＲＣ判定回路９３等によって解析される。そして、解析された信号にしたがって、記憶回路８８内に記憶されている半導体装置の情報が出力される。出力された半導体装置の情報は出力ユニット回路９４を通って符号化される。さらに、符号化された半導体装置２１８０の情報はデータ変調回路８６を通って、アンテナ８９により無線信号に載せて送信される。なお、半導体装置２１８０を構成する複数の回路においては、低電源電位（以下、ＶＳＳという）は共通であり、ＶＳＳはＧＮＤとすることができる。
このように、通信手段（例えばリーダ／ライタ、又はリーダ或いはライタいずれかの機能を有する手段）から半導体装置２１８０に信号を送り、当該半導体装置２１８０から送られてきた信号をリーダ／ライタで受信することによって、半導体装置のデータを読み取ることが可能となる。
また、半導体装置２１８０は、各回路への電源電圧の供給を電源（バッテリー）を搭載せず電磁波により行うタイプとしてもよいし、電源（バッテリー）を搭載して電磁波と電源（バッテリー）により各回路に電源電圧を供給するタイプとしてもよい。
次に、非接触でデータの入出力が可能な半導体装置の使用形態の一例について説明する。表示部３２１０を含む携帯端末の側面には、通信手段３２００が設けられ、品物３２２０の側面には半導体装置３２３０が設けられる（図１３（Ｂ）参照）。なお、通信手段３２００は、例えばリーダ／ライタのように信号を読み取る機能及び信号を送信する機能を備えるもの、又は信号を読み取る機能或いは信号を送信するいずれかの機能のみを備えるものである。品物３２２０が含む半導体装置３２３０に通信手段３２００をかざすと、表示部３２１０に品物の原材料や原産地、生産工程ごとの検査結果や流通過程の履歴等、更に商品の説明等の商品に関する情報が表示される。また、商品３２６０をベルトコンベアにより搬送する際に通信手段３２４０と、商品３２６０に設けられた半導体装置３２５０を用いて、該商品３２６０の検品を行うことができる（図１３（Ｃ）参照）。半導体装置３２３０、半導体装置３２５０としては、上述した半導体装置２１８０を適用することができる。このように、システムに本発明に係る半導体装置を活用することで、情報の取得を簡単に行うことができ、高機能化と高付加価値化を実現する。また、本発明に係る半導体装置は信頼性が高く、商品の検品等を確実に行うことも可能となる。
なお、上述した以外にも本発明に係る半導体装置の用途は広範にわたり、非接触で対象物の履歴等の情報を明確にし、生産・管理等に役立てる商品であればどのようなものにも適用することができる。例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、証書類、無記名債券類、包装用容器類、書籍類、記録媒体、身の回り品、乗物類、食品類、衣類、保健用品類、生活用品類、薬品類及び電子機器等に設けて使用することができる。これらの例に関して図１４を用いて説明する。
紙幣、硬貨とは、市場に流通する金銭であり、特定の地域で貨幣と同じように通用するもの（金券）、記念コイン等を含む。有価証券類とは、小切手、証券、約束手形等を指す（図１４（Ａ）参照）。証書類とは、運転免許証、住民票等を指す（図１４（Ｂ）参照）。無記名債券類とは、切手、おこめ券、各種ギフト券等を指す（図１４（Ｃ）参照）。包装用容器類とは、お弁当等の包装紙、ペットボトル等を指す（図１４（Ｄ）参照）。書籍類とは、書物、本等を指す（図１４（Ｅ）参照）。記録媒体とは、ＤＶＤソフト、ビデオテープ等を指す（図１４（Ｆ）参照）。乗物類とは、自転車等の車両、船舶等を指す（図１４（Ｇ）参照）。身の回り品とは、鞄、眼鏡等を指す（図１４（Ｈ））。食品類とは、食料品、飲料等を指す。衣類とは、衣服、履物等を指す。保健用品類とは、医療器具、健康器具等を指す。生活用品類とは、家具、照明器具等を指す。薬品類とは、医薬品、農薬等を指す。電子機器とは、液晶表示装置、ＥＬ表示装置、テレビジョン装置（テレビ受像機、薄型テレビ受像機）、携帯電話機等を指す。
紙幣、硬貨、有価証券類、証書類、無記名債券類等に半導体装置２１８０を設けることにより、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、書籍類、記録媒体等、身の回り品、食品類、生活用品類、電子機器等に半導体装置２１８０を設けることにより、検品システムやレンタル店のシステムなどの効率化を図ることができる。乗物類、保健用品類、薬品類等に半導体装置２１８０を設けることにより、偽造や盗難を防止することができる。また、薬品類ならば、薬の服用の間違いを防止することができる。半導体装置２１８０の設け方としては、物品の表面に貼る、或いは物品に埋め込んで設ける。例えば、本の場合は紙に埋め込めばよく、有機樹脂からなるパッケージであれば有機樹脂に埋め込めばよい。
このように、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、電子機器等に半導体装置を設けることにより、検品システムやレンタル店のシステムなどの効率化を図ることができる。また乗物類に半導体装置を設けることにより、偽造や盗難を防止することができる。また、動物等の生き物に埋め込むことによって、個々の生き物の識別を容易に行うことができる。例えば、家畜等の生き物にセンサーを備えた半導体装置を埋め込む又は取り付けることによって、生まれた年や性別または種類等はもちろん体温等の健康状態を容易に管理することが可能となる。
本発明を適用することにより、結晶欠陥が少なく、結晶粒のサイズが大きな多結晶半導体膜を用いてＴＦＴを形成することが可能となる。また移動度や応答速度が良好なために高速駆動が可能で、従来よりも素子の動作周波数を向上させることができる。これは、本発明を適用することで、結晶粒がチャネル長方向に延び、トランジスタのチャネル長方向に存在する結晶粒界の本数が少ないためである。なお、チャネル長方向とは、チャネル形成領域において、電流が流れる方向、換言すると電荷が移動する方向と一致する。
また、レーザ結晶化を行うには、レーザ光の大幅な絞り込みを行うことが好ましい。本発明ではレーザ光の形状が線状であるため、被照射体に対して、十分に且つ効率的なエネルギー密度を確保することができる。但し、ここでいう線状とは、厳密な意味で線を意味しているのではなく、アスペクト比の大きい長方形もしくは長楕円形を意味し、短軸方向にある程度の幅を確保してもよい。
また、本発明のレーザ照射装置では、位相シフトマスクによるレーザ光の長軸方向の強度分布を、シリンドリカルレンズ及びレンズを用いて照射面上に転写しているため、位相シフトマスクと照射面との間に、十分な作業スペースを確保することができる。
なお、本実施の形態は、上記実施の形態と自由に組み合わせて行うことができる。
本実施例では、本発明のレーザ照射装置において、位相シフトマスクによる回折光を照射面に転写する光学系（以下、転写光学系とも表記する）として、シリンドリカルレンズ及び球面レンズを用いた場合、または非球面シリンドリカルレンズ及び非球面レンズを用いた場合における、レーザ光の強度分布の安定性について比較する。
図１５（Ａ）に、基準位置にある位相シフトマスク、シリンドリカルレンズ及び球面レンズを透過したレーザ光の長軸方向の強度分布と、基準位置より１０μｍずらした位相シフトマスク、シリンドリカルレンズ及び球面レンズを透過したレーザ光の長軸方向の強度分布を示す。例えば、基準位置とは、位相シフトマスクとシリンドリカルレンズ間の距離が、シリンドリカルレンズの焦点距離と等しくなる位置とする。その時、「基準位置より１０μｍずらした」位置とは、位相シフトマスクとシリンドリカルレンズ間の距離が、シリンドリカルレンズの焦点距離よりも１０μｍ長くなる位置を意味する。図１５（Ａ）から、転写光学系にシリンドリカルレンズ及び球面レンズを使用した場合、位相シフトマスクの位置を基準位置から１０μｍ移動させると、レーザ光の強度分布が変化していることがわかる。
また、図１５（Ｂ）は、基準位置にある位相シフトマスク、非球面シリンドリカルレンズ及び非球面レンズを透過したレーザ光の長軸方向の強度分布と、基準位置より１０μｍまたは１００μｍずらした位相シフトマスク、非球面シリンドリカルレンズ及び非球面レンズを透過したレーザ光の長軸方向の強度分布を示す。例えば、基準位置とは、位相シフトマスクと非球面シリンドリカルレンズ間の距離が、非球面シリンドリカルレンズの焦点距離と等しくなる位置とする。その時、「基準位置より１０μｍまたは１００μｍずらした」位置とは、位相シフトマスクと非球面シリンドリカルレンズ間の距離が、非球面シリンドリカルレンズの焦点距離よりも１０μｍまたは１００μｍ長くなる位置を意味する。図１５（Ｂ）から、転写光学系に非球面シリンドリカルレンズ及び非球面レンズを使用した場合、位相シフトマスクの位置を基準位置から、１０μｍまたは１００μｍ移動させても、レーザ光の強度分布は安定していることがわかる。
図１６に、位相シフトマスクを通過したレーザ光の長軸方向における光路の計算結果を示す。図１６（Ａ）では転写光学系として２枚の球面レンズを使用した場合の、図１６（Ｂ）では転写光学系として２枚の非球面レンズを使用した場合のレーザ光の光路をそれぞれ示す。なお、本計算結果においては、レーザ光の長軸方向についてのみ検討しているため、転写光学系におけるシリンドリカルレンズは、単に球面レンズまたは非球面レンズとして計算した。また、図１６では、レーザ光の波長を５３２ｎｍ、ビーム径を２ｍｍとし、位相シフトマスク２４０１のストライプパターンのピッチを２μｍ、回折角を１５．２４度とした。
図１６（Ａ）において、球面レンズ２４０２、２４０３の焦点距離ｆを２０ｍｍ、Ｆ値を１とする。また、球面レンズ２４０２、２４０３は屈折率ｎが１．７８５のＳＦ１１で形成されており、位相シフトマスク２４０１と球面レンズ２４０２の距離を約２０ｍｍ、球面レンズ２４０２と球面レンズ２４０３の距離を約４０ｍｍとする。
図１６（Ａ）に示すように、転写光学系として球面レンズを使用した場合、球面レンズ２４０２における球面収差により、位相シフトマスク２４０１から射出される回折光である±１次光が、直進成分である０次光と比較して拡がりを持ってしまう。これによって、照射面において、±１次光と０次光とが同位置に焦点を結ばない。また、図示しないが、球面レンズ２４０３は長軸方向と短軸方向の集光を同時に行う。このとき、球面レンズ２４０３の有する収差によりレーザ光の長軸方向が集光される位置と短軸方向が集光される位置とにずれが生じてしまう。
また、図１６（Ｂ）において、非球面レンズ２４０４、２４０５の焦点距離ｆを２０ｍｍ、Ｆ値を０．９５とする。また、非球面レンズ２４０４、２４０５は屈折率ｎが１．５２３のＢ２７０で形成されており、位相シフトマスク２４０１と非球面レンズ２４０４の距離を約２０ｍｍ、非球面レンズ２４０４と非球面レンズ２４０５の距離を約４０ｍｍとする。
図１６（Ｂ）に示すように、転写光学系として、非球面レンズを使用した場合、球面収差を抑えることができるため、位相シフトマスク２４０１を透過した光が照射面へ平行に入射することが可能となる。これによって、位相シフトマスク２４０１の位置が変動しても、レーザ光の焦点のずれを抑制でき、レーザ光の強度分布を安定に維持することができる。また、非球面レンズ２４０５は、収差が抑えられているため、レーザ光の長軸方向における集光位置と、短軸方向における集光位置のずれを抑制することができる。
本発明のレーザ照射装置に非球面シリンドリカルレンズまたは非球面レンズを用いることでレーザ光の強度分布を安定化させることができる。このレーザ照射装置を非晶質半導体膜の結晶化に用いると、一様な強度分布のレーザ光により一様な半導体膜の溶融状態を実現することができる。これによって、結晶化半導体膜内に発生する粒界や双晶等の欠陥を抑制することができる。
本実施例では、本発明のレーザ照射装置において位相シフトマスクをレーザ光の走査方向に対して、平行に配置した場合及び２０度（θ＝２０）傾けて配置した場合のレーザ光の強度分布について説明する。なお、本実施例において、位相シフトマスク１０３のストライプパターンのピッチは２μｍとする。
図１７（Ａ）及び（Ｂ）に、本実施例における位相シフトマスクの配置の概略図を示す。図１７（Ａ）は、基板２６００の走査方向（レーザ光の走査方向を言い換えることもできる）に平行に位相シフトマスク１０３を配置した概略図を示す。また、図１７（Ｂ）は、基板２６００の走査方向に対して、２０度傾けて位相シフトマスク１０３を配置した概略図を示す。
図１７（Ｃ）は、図１７（Ａ）に示した配置でレーザ光を走査させた場合の、ビームスポットの短軸方向（幅方向）の強度分布を示し、図１７（Ｅ）は、図１７（Ａ）に示した配置でレーザ光を走査させた場合の、ビームスポットの長軸方向（長さ方向）の強度分布を示す。図１７（Ｃ）（Ｅ）において、縦軸はレーザ光の強度（ａ．ｕ．）を示し、横軸はビームスポットにおける位置（μｍ）を示す。
図１７（Ｃ）（Ｅ）に示すように、位相シフトマスク１０３をレーザ光の走査方向に平行に配置した場合には、短軸方向においては、１つのレーザ光の極大点を有する。しかしながら、長軸方向については、位相シフトマスク１０３のストライプパターンの有する２μｍピッチのレーザ光の強度分布ではなく、さらに広い間隔での強度分布の周期的な変動が見られる。この変動は、位相シフトマスク１０３の表面と裏面とで、レーザ光が干渉しているために起こると考えられる。
また、図１７（Ｄ）は、図１７（Ｂ）に示した配置でレーザ光を走査させた場合の、ビームスポットの短軸方向（幅方向）の強度分布を示し、図１７（Ｆ）は、図１７（Ｂ）に示した配置でレーザ光を走査させた場合の、ビームスポットの長軸方向（長さ方向）の強度分布を示す。図１７（Ｄ）（Ｆ）において、縦軸はレーザ光の強度（ａ．ｕ．）を示し、横軸はビームスポットにおける位置（μｍ）を示す。
図１７（Ｆ）に示すように、位相シフトマスク１０３をレーザ光の走査方向に対して２０度傾けて配置することで、図１７（Ｅ）で見られた周期的な変動がなくなり、長軸方向について全体としてガウス分布のビームスポットを形成することができる。また、図示しないが、このビームスポットは、長軸方向に位相シフトマスク１０３のストライプパターンのピッチに依存した強度分布を有している。
また、図１７（Ｄ）に示すように、短軸方向については２つの極大点を有する強度分布となる。前述したように、１つのビームスポット内に２つの極大点を有すると、レーザ光の短軸方向についてのばらつきが生じてしまう。本実施例において、ビームスポットの幅は５μｍ乃至１０μｍで有り、図１７（Ｄ）から、２つの極大点の距離はおよそ３０μｍであるため、当該２つの極大点は、同一のビームスポット内には存在せず、短軸方向についてもばらつきのないレーザ光とすることができる。なお、本実施例において、位相シフトマスク１０３の厚さｄは０．７ｍｍであり、また、位相シフトマスクの材料として石英を用いており、その屈折率ｎは１．４８６である。したがって、θ＝２０のとき、上述した式、φ＜４ｄ・ｔａｎθ’・ｃｏｓθを満たす。
以上述べたように、本発明のレーザ照射装置において、位相シフトマスクをレーザ光の走査方向に向けて角度θ（度）傾けることで、位相シフトマスクの表面と裏面とで起こる干渉の影響を抑制することができ、ビームスポットの長軸方向において、所望の周期以外の強度分布のばらつきの低下したレーザ光とすることができる。なお、位相シフトマスクをレーザ光の走査方向に向けて角度θ（度）傾けて配置した場合、短軸方向に２つの極大点が形成されるため、走査方向を一定方向とするのが好ましい。
本実施例では、本発明のレーザ照射装置によって非晶質半導体膜を結晶化する際の照射回数の違いによる結晶化への影響を説明する。
本発明のレーザ照射装置を用いて作製した結晶性半導体膜の光学顕微鏡写真を図１８（Ａ）（Ｂ）に示す。本実施例の試料は、以下の手順で作製した。まず、ガラス基板上に下地絶縁膜として厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン及び厚さ１５０ｎｍの窒化酸化シリコンを形成し、次いで非晶質珪素膜を６６ｎｍの厚さで形成した。次に、本発明のレーザ照射装置によって非晶質珪素膜にレーザ光を照射した。本実施例においては、レーザ光のエネルギーを１６．５Ｗ、走査速度を２００ｍｍ／ｓｅｃとした。また、レーザ照射装置において位相シフトマスクのストライプパターンのピッチは２μｍとした。なお、図１８（Ａ）はレーザ光を１回照射した場合の光学顕微鏡写真であり、図１８（Ｂ）は、レーザ光を一度照射した後に、再度同位置にレーザ光を照射した場合の光学顕微鏡写真である。
図１８（Ａ）に示すように、レーザ光を一回照射した場合では、結晶性半導体膜に形成された複数の結晶帯中にランダムな粒界が形成されている。しかしながら、図１８（Ｂ）に示すように、レーザ光を２回照射した場合は、結晶性半導体膜の結晶の成長方向が揃っており、レーザ光を一回照射した場合よりも結晶性が改善されていることがわかる。
また、レーザ光を一回照射した結晶性半導体膜と、レーザ光を２回照射した結晶性半導体膜の結晶粒の位置と大きさ、および結晶粒の面方位の確認をするために、ＥＢＳＰ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ）測定を行った。ＥＢＳＰとは、走査型電子顕微鏡にＥＢＳＰ検出器を接続し、走査型電子顕微鏡内で高傾斜した試料に収束電子ビームを照射したときに発生する個々の結晶の回折像（ＥＢＳＰ像）の方位を解析し、方位データと測定点の位置情報（ｘ，ｙ）から試料の結晶粒の面方位を測定する方法である。図１８（Ｃ）、（Ｄ）にその結果を示す。
図１８において、（Ｃ）はレーザ光を一回照射した結晶性半導体膜における面方位分布、（Ｄ）はレーザ光を二回照射した結晶性半導体膜における面方位分布をそれぞれ示し、（Ｅ）は（Ｃ）及び（Ｄ）における面方位を示す。
ＥＢＳＰ測定の測定領域は５０μｍ×５０μｍである。図１８（Ｃ）と図１８（Ｄ）を比較すると、レーザ光を一回照射した図１８（Ｃ）では結晶粒に一定の方向性は見られるものの、不規則な方向に成長した結晶粒も存在する。一方で、レーザ光を二回照射して結晶化を行った図１８（Ｄ）では複数の細長い結晶粒の領域が大部分を占めており、結晶性は一回照射の場合よりも向上していることが確認できる。また、図１８（Ｄ）において、結晶粒の長軸方向は概ね一方向に揃っており、結晶性半導体膜に存在する大粒径の結晶は長軸方向で約２０μｍ〜５０μｍである。このようにレーザ光を複数回照射することで、一回照射の場合よりもさらに結晶が大粒径化し、結晶の長軸方向に走る結晶粒界（結晶帯の境界）が一方向に揃うことが確認できる。
さらに、本発明の準単結晶珪素の表面形状を測定するために、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて測定を行った。ＡＦＭは固体試料表面と探針間に働く力を検出物理量として観察する。図１８（Ｆ）に、レーザ光を一回照射した場合の結晶性半導体膜のＡＦＭ測定像の３次元表示を、（Ｇ）に、レーザ光を二回照射した場合の結晶性半導体膜のＡＦＭ測定像の３次元表示を示す。
図１８（Ｆ）に示すように、レーザ光を一回照射した場合では、結晶性半導体膜における表面凹凸の周期に不安定な部分が存在する。しかしながら、図１８（Ｇ）に示すように、レーザ光を２回照射した場合は、結晶性半導体膜の表面凹凸の周期が安定化しており、粒界がより精度良く形成されていることがわかる。
レーザ光を複数回照射することによって、一回目のレーザ照射によって形成された結晶帯内の粒界が再結晶化、かつ、結晶帯内で成長が促進されるため、粒界の発生位置をより精度良く制御することができる。従って、本発明のレーザ照射装置を用いて、非晶質半導体膜を結晶化する場合において、レーザ光を一度照射した後に、再度同じ位置に照射することで、結晶性をさらに向上させることができる。
本実施例では、スリットを有する本発明のレーザ照射装置を用いて作製した結晶性半導体膜について説明する。
図１９に本実施例におけるレーザ照射装置の光学系の構成を示す。本実施例においてレーザ照射装置は、レーザ発振器１０１と位相シフトマスク１０３との間に、スリット１２０及びスリット１２０による像を位相シフトマスク１０３へと転写するレンズを有する。本実施例では、スリット１２０による像を位相シフトマスク１０３へと転写するレンズとしてシリンドリカルレンズ１２１を設けるが、本発明の構成はこれに限られず、他のレンズを用いても構わない。本実施例において、レーザ発振器１０１から射出されたレーザ光は、スリット１２０を通過することで、両端のエネルギー密度の低い箇所が切り取られる。また、スリット１２０による像は、シリンドリカルレンズ１２１によって位相シフトマスク１０３へと転写され、位相シフトマスク１０３、シリンドリカルレンズ１０４及びレンズ１０５によって、長軸方向に強度分布を有する線状のビームスポットへ形成された後、照射面１１１に照射される。なお、本実施例において、位相シフトマスク１０３のストライプパターンのピッチは２μｍとする。また、本実施例において、シリンドリカルレンズ１０４及びレンズ１０５は非球面レンズとする。但し、本発明はこの構成に限られることなくシリンドリカルレンズ１０４またはレンズ１０５のうちどちらかあるいは双方に球面レンズを利用しても構わない。
図２０（Ａ）に本実施例のレーザ照射装置を用いて、非晶質半導体膜にレーザ光を一度走査させた試料の光学顕微鏡写真を示す。図２０に示した試料は、以下の手順で作製した。まず、ガラス基板上に下地絶縁膜として厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン及び厚さ１００ｎｍの窒化酸化シリコンを形成し、次いで非晶質珪素膜を６６ｎｍの厚さで形成した。次に、本実施例のレーザ照射装置によって非晶質珪素膜にレーザ光を照射した。また、図２０（Ｂ）は、対照として、図２０（Ａ）と同じ作製方法で作成した非晶質半導体膜に、図１に示したスリットを設けない構成の本発明のレーザ照射装置を用いて、レーザ光を一度走査させた試料の光学顕微鏡写真である。本実施例においては、長さ２５０μｍ、幅５乃至１０μｍの線状のビームスポットを、１６．５Ｗのエネルギーで、２００ｍｍ／ｓｅｃの走査速度で照射した。また、図２０（Ｂ）において、レーザ照射装置の位相シフトマスクのストライプパターンのピッチは、図２０（Ａ）と同様に２μｍとした。
図２０（Ｂ）に示すように、図１に示したレーザ照射装置を用いることにより、幅が約１８０μｍの粒界位置が制御された結晶化領域２９０を形成することができる。しかし、照射される線状のビームスポットにおける長さ方向のエネルギー分布はガウス分布であるため、その両端のエネルギー密度の低い箇所では１５０乃至１８０μｍ程度の結晶化不良領域２９１が存在する。一方、本実施例のレーザ照射装置を用いた場合は、スリット１２０によってエネルギー密度の低い箇所を切り取っているため、幅約１８０μｍの結晶化領域２９０をレーザ光のエネルギーのロスを少なく形成することができる。
また、図２０（Ｃ）に、図２０（Ａ）と同様に作製した非晶質半導体膜に、本実施例のレーザ照射装置を用いて基板全面にレーザ光を走査した試料の光学顕微鏡写真を示す。図２０（Ｃ）に示すように、本実施例のレーザ照射装置を連続的に照射することで、基板全面に複数の幅約１８０μｍの結晶化領域２９０を形成することができる。また、結晶化領域２９０同士の間に形成される結晶化不良領域２９１の幅は約２５μｍ以下まで削減することができる。
以上述べたように、本実施例で説明した構成のレーザ照射装置は、スリットによる像と、位相シフトマスクによる回折光とを同時に照射面へと転写することが可能であり、また、レーザ光においてエネルギー密度の低い領域をスリットによって遮光することが可能である。このようなスリットを設けた本発明のレーザ照射装置を結晶化に用いることで、照射面においてレーザ光のエネルギーのロスを少なくすることができ、かつ結晶化半導体膜における結晶化不良領域を削減することができる。
本実施例では、実施の形態２において説明したように、キャップ膜を介して非晶質半導体膜を結晶化した結晶性半導体膜の特性を測定した結果を示す。なお、本実施例の試料は、以下の手順で作製した。まず、ガラス基板上に下地絶縁膜として厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン及び厚さ１００ｎｍの窒化酸化シリコンを形成し、次いで非晶質珪素膜を６６ｎｍの厚さで形成した。次に、キャップ膜として、窒化酸化シリコン膜を厚さ５００ｎｍで形成し、このキャップ膜の上面から本発明のレーザ照射装置によって非晶質珪素膜にレーザ光を照射した。本実施例においては、レーザ光のエネルギーを１６．５Ｗ、走査速度を２００ｍｍ／ｓｅｃとし、レーザ光を一回照射した。また、レーザ照射装置において位相シフトマスクのストライプパターンのピッチは２μｍとした。
図２１（Ａ）に、作製した結晶性半導体膜のＥＢＳＰ測定結果を示す。図２１（Ｂ）は、（Ａ）における面方位を示す。ＥＢＳＰ測定の測定領域は５０μｍ×５０μｍである。図２１（Ａ）より、キャップ膜を介して本発明のレーザ照射方法によって作製した結晶質半導体膜は、複数の細長い結晶粒の領域が大部分を占めており、その結晶粒の長軸方向は概ね一方向に揃っている。このようにキャップ膜を介して結晶化を行うことで、結晶の長軸方向に走る結晶粒界（結晶帯の境界）が一方向に揃った結晶質半導体膜を得ることができる。また、結晶帯のそれぞれについての結晶方位を確認すると、キャップ膜を適用しない場合比較して、結晶成長方向に向かって配向のばらつきが抑制されることが確認された。
また、本実施例で作製した結晶性半導体膜について、ＡＦＭを用いて表面凹凸を測定したところ、平面粗さで０．６ｎｍと、平坦性が十分に確保できていることが確認された。対照として、同様の作製工程によって非晶質半導体膜を形成し、同様のレーザ照射方法でキャップ膜を介さずに結晶化したところ、作製された結晶性半導体膜の平面粗さは７．３ｎｍであった。
以上示したように、本発明のレーザ照射方法によって非晶質半導体膜を結晶化する際に、当該非晶質半導体膜の上面にキャップ膜を形成し、このキャップ膜を介して結晶化を行うことで、結晶の長軸方向に走る結晶粒界（結晶帯の境界）が一方向に揃った結晶質半導体膜を得ることができる。また、作製された結晶性半導体膜は、平坦性を有し、かつ結晶成長方向に向かって配向のばらつきが低減されている。
本発明のレーザ照射装置の一例を示す図。 本発明のレーザ照射装置が有する光学系の一例を示す図。 本発明のレーザ照射装置が有する光学系の一例を示す図。 本発明の半導体装置の製造方法を説明する図。 本発明の半導体装置の製造方法を説明する図。 レーザ光の強度と、レーザ光が照射された半導体膜の状態の関係を示す図。 本発明を適用したＴＦＴの製造方法を説明する図。 本発明に係る半導体装置の一例を示すブロック図。 本発明に係る半導体装置の一例を示す断面図。 本発明に係る半導体装置の一例を示す斜視図。 本発明に係る半導体装置の一例を示す上面図及び断面図。 本発明に係る半導体装置に適用できるアンテナを説明する図。 本発明に係る半導体装置の一例を示すブロック図及び使用形態の例を示す図。 本発明に係る半導体装置の適用例を示す図。 本発明のレーザ照射装置の光学系を通過したレーザ光の強度分布を示す図。 本発明のレーザ照射装置の光学系における光路図を示す図。 本発明のレーザ照射装置の有する位相シフトマスクの配置を説明する図。 本発明のレーザ照射装置を用いて作製した結晶性半導体膜の光学顕微鏡写真、ＥＢＳＰ測定像、ＡＦＭ測定像を示す図。 本発明のレーザ照射装置が有する光学系の一例を示す図。 本発明のレーザ照射装置を用いて作製した結晶性半導体膜の光学顕微鏡写真を示す図。 本発明のレーザ照射装置を用いて作製した結晶性半導体膜のＥＢＳＰ測定結果を示す図。
符号の説明
１０１ レーザ発振器
１０２ ミラー
１０３ 位相シフトマスク
１０４ シリンドリカルレンズ
１０５ レンズ
１０６ ステージ
１１０ 光学系
１１１ 照射面
１２０ スリット
１２１ シリンドリカルレンズ
１３３ 強度分布
１５０ 凸部
１６０ 凹部
２１１ ガラス基板
２１２ 下地膜
２１３ 非晶質半導体膜
２１４ 結晶性半導体膜
２１５ キャップ膜
２１４ａ 結晶帯
２１４ｂ 境界
２１５ キャップ膜
２９０ 結晶化領域
２９１ 結晶化不良領域

Claims (20)

  1. 繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から射出されたレーザ光に回折を生じさせて、長軸方向の強度分布を変化させる位相シフトマスクと、
    前記位相シフトマスクによって回折した前記レーザ光の像を、照射面に結像させるシリンドリカルレンズと、
    前記位相シフトマスクによって回折した前記レーザ光を、前記照射面に集光するレンズと、を有するレーザ照射装置。
  2. 繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から射出されたレーザ光に回折を生じさせて、長軸方向の強度分布を変化させる位相シフトマスクと、
    前記位相シフトマスクによって回折した前記レーザ光の像を、照射面に結像させる非球面シリンドリカルレンズと、
    前記位相シフトマスクによって回折した前記レーザ光を、前記照射面に集光するレンズと、を有するレーザ照射装置。
  3. 繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から射出されたレーザ光に回折を生じさせて、長軸方向の強度分布を変化させる位相シフトマスクと、
    前記位相シフトマスクによって回折した前記レーザ光の像を、照射面に結像させるシリンドリカルレンズと、
    前記位相シフトマスクによって回折した前記レーザ光を、前記照射面に集光する非球面レンズと、を有するレーザ照射装置。
  4. 繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から射出されたレーザ光に回折を生じさせて、長軸方向の強度分布を変化させる位相シフトマスクと、
    前記位相シフトマスクによって回折した前記レーザ光の像を、照射面に結像させる非球面シリンドリカルレンズと、
    前記位相シフトマスクによって回折した前記レーザ光を、前記照射面に集光する非球面レンズと、を有するレーザ照射装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
    前記レーザ発振器と前記位相シフトマスクとの間に、前記レーザ発振器から射出されたレーザ光の端部を遮断するためのスリットを有するレーザ照射装置。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
    前記位相シフトマスクは、前記レーザ光の走査方向に対してθ度傾いて配置されており、
    前記照射面におけるビームスポットの幅をφとし、前記位相シフトマスクの厚さをｄとし、前記位相シフトマスクに入射したときの前記レーザ光の屈折角をθ’としたとき、前記θが、φ＜４ｄ・ｔａｎθ’・ｃｏｓθを満たすレーザ照射装置。
  7. 繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器から射出したレーザ光を、位相シフトマスクを介して長軸方向の強度分布を有するレーザ光に変調し、
    前記位相シフトマスクを透過した前記レーザ光を、シリンドリカルレンズ及びレンズを通過させて、照射面に照射するレーザ照射方法。
  8. 繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器から射出したレーザ光を、位相シフトマスクを介して長軸方向の強度分布を有するレーザ光へと変調し、
    前記位相シフトマスクを透過した前記レーザ光を、非球面シリンドリカルレンズ及びレンズを通過させて、照射面に照射するレーザ照射方法。
  9. 繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器から射出したレーザ光を、位相シフトマスクを介して長軸方向の強度分布を有するレーザ光へと変調し、
    前記位相シフトマスクを透過した前記レーザ光を、シリンドリカルレンズ及び非球面レンズを通過させて、照射面に照射するレーザ照射方法。
  10. 繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器から射出したレーザ光を、位相シフトマスクを介して長軸方向の強度分布を有するレーザ光へと変調し、
    前記位相シフトマスクを透過した前記レーザ光を、非球面シリンドリカルレンズ及び非球面レンズを通過させて、照射面に照射するレーザ照射方法。
  11. 請求項７乃至請求項１０のいずれか一において、
    前記レーザ発振器から射出した前記レーザ光をスリットに入射させて端部を遮断し、
    前記スリットを通過した前記レーザ光を前記位相シフトマスクに入射させるレーザ照射方法。
  12. 請求項７乃至請求項１１のいずれか一において、
    前記位相シフトマスクは、前記レーザ光の走査方向に対してθ度傾いて配置されており、
    前記照射面におけるビームスポットの幅をφとし、前記位相シフトマスクの厚さをｄとし、前記位相シフトマスクに入射したときの前記レーザ光の屈折角をθ’としたとき、前記θが、φ＜４ｄ・ｔａｎθ’・ｃｏｓθを満たすレーザ照射方法。
  13. 請求項７乃至請求項１２のいずれか一において、
    前記位相シフトマスクを通過した前記レーザ光は、長軸方向に周期的に複数の強度ピークを有するレーザ照射方法。
  14. 繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器から射出されたレーザ光を位相シフトマスクに入射して、長軸方向の強度分布を有するレーザ光へと変調させ、
    前記位相シフトマスクを透過した前記レーザ光を、シリンドリカルレンズ及びレンズを通過させて、絶縁基板上に設けられた非晶質半導体膜に照射し、
    前記レーザ光を前記レーザ光の長軸方向と垂直な方向に走査して、前記非晶質半導体膜を結晶化する半導体装置の製造方法。
  15. 繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザ発振器または連続発振のレーザ発振器から射出されたレーザ光を位相シフトマスクに入射して、長軸方向の強度分布を有するレーザ光へと変調させ、
    前記位相シフトマスクを透過した前記レーザ光を、シリンドリカルレンズ及びレンズを通過させて、非晶質半導体膜を介して絶縁基板上に設けられたキャップ膜に照射し、
    前記レーザ光を前記レーザ光の長軸方向と垂直な方向に走査して、前記非晶質半導体膜を結晶化する半導体装置の製造方法。
  16. 請求項１４または請求項１５において、
    前記結晶化に際して、結晶化を助長する元素を用いる半導体装置の製造方法。
  17. 請求項１４乃至請求項１６において、
    前記レーザ発振器から射出した前記レーザ光は、スリットを通過した後に前記位相シフトマスクに入射する半導体装置の製造方法。
  18. 請求項１４乃至請求項１７において、
    前記シリンドリカルレンズは、非球面シリンドリカルレンズである半導体装置の製造方法。
  19. 請求項１４乃至請求項１８のいずれか一において、
    前記レンズは、非球面レンズである半導体装置の製造方法。
  20. 請求項１４乃至請求項１９のいずれか一において、
    前記位相シフトマスクは、前記レーザ光の走査方向に対してθ度傾いて配置されており、
    前記照射面におけるビームスポットの幅をφとし、前記位相シフトマスクの厚さをｄとし、前記位相シフトマスクに入射したときの前記レーザ光の屈折角をθ’としたとき、前記θが、φ＜４ｄ・ｔａｎθ’・ｃｏｓθを満たす半導体装置の製造方法。
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