JP2012074727A

JP2012074727A - 半導体装置の作製方法及びレーザ照射装置

Info

Publication number: JP2012074727A
Application number: JP2011265400A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Tanaka; 幸一郎田中; Yoshiaki Yamamoto; 良明山本
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2025-03-24
Also published as: US20070077696A1; CN101677061A; EP1728271B1; JP5745714B2; WO2005093801A1; US20110024406A1; US9296068B2; EP1728271A4; CN100541722C; US7812283B2; CN101677061B; EP1728271A1; CN1934682A

Abstract

【課題】レーザ光のエネルギー強度の弱い部分を遮断し、かつ光の回折による縞を発生させることなく、線状レーザ光を照射面に照射することができる、照射面上に均一強度の線状ビームを照射するレーザアニール方法及びレーザアニール装置の提供。
【解決手段】レーザ発振器１０１から射出されたレーザ光をスリット１０２を通過させて強度の弱い部分を遮断し、ミラー１０３で偏向させ、スリットにできた像を凸型シリンドリカルレンズ１０４によって照射面１０６に投影して照射面上に均一強度の線状ビームを照射することでレーザアニールを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、非結晶質半導体膜の結晶化等に好適な照射面上に均一強度の線状ビームを照
射でき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。
より詳しくは、本発明は、レーザ光のエネルギー密度の低い部分を遮断し、かつ光の回
折による縞を照射面において発生させることなく、線状レーザ光を照射することができる
、照射面上にエネルギー密度の均一な、すなわち均一強度の線状ビームを照射する、非結
晶質半導体膜の結晶化等に好適なレーザアニール方法及びレーザアニール装置に関する。

近年、基板上に薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと記す）を製造する技術が大幅に進歩し
、アクティブマトリクス型表示装置への応用開発が進められている。
特に、多結晶半導体膜を用いたＴＦＴは、従来の非結晶質半導体膜を用いたＴＦＴより
も電界効果移動度（モビリティともいう）が高いので高速動作が可能である。
そのため、従来基板の外に設けられた駆動回路で行っていた画素の制御を、画素と同一
の基板上に形成した駆動回路で行うことが試みられている。

ところで、半導体装置に用いる基板は、コストの面から石英基板よりも、ガラス基板が
有望視されている。
ガラス基板は、耐熱性に劣り、熱変形しやすいため、ガラス基板上に多結晶半導体膜を
用いたＴＦＴを形成する場合には、ガラス基板の熱変形を避けるために半導体膜の結晶化
にレーザアニールが用いられる。

レーザアニールの特徴は、輻射加熱あるいは伝導加熱を利用するアニール法と比較して
処理時間を大幅に短縮できることや、半導体基板又は半導体膜を選択的、局所的に加熱し
て、基板に殆ど熱的損傷を与えないことなどがあげられている。
なお、ここでいうレーザアニール法とは、半導体基板又は半導体膜に形成された損傷層
やアモルファス層をアニールする技術や、基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶化さ
せる技術を指している。
また、それは半導体基板又は半導体膜の平坦化や表面改質に適用される技術も含んでい
る。

レーザアニールに用いられるレーザ発振器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。
近年では、半導体膜の結晶化においてエキシマレーザのようなパルス発振のレーザ発振
器よりもＡｒレーザやＹＶＯ₄レーザのような連続発振のレーザ発振器を用いる方が、半
導体膜内に形成される結晶の粒径が大きくなることが見出されている。
半導体膜内の結晶粒径が大きくなると、該半導体膜を用いて形成されるＴＦＴチャネル
領域に入る粒界の数が減るのでキャリア移動度が高くなり、より高性能なデバイスの開発
に利用でき、そのため連続発振のレーザ発振器は脚光を浴びている。

半導体膜のレーザアニールには可視あるいは紫外域の波長を持ったレーザビームが多く
用いられる。
これは、半導体膜への吸収効率が良いためである。
しかしながら、一般的にＣＷ（連続発振）レーザに用いられる固体のレーザ媒質から発
振する波長は赤から近赤外域であり、これらの波長域は半導体膜への吸収効率が低いため
、非線形光学素子を用いて可視域以下の波長を持つ高調波に変換して用いる。
一般的には、大出力を得やすい近赤外の基本波を第二高調波であるグリーンのレーザビ
ームに変換する方法が最も変換効率が高く、頻繁に用いられている。

例えば、１０Ｗ、５３２ｎｍのＣＷレーザビームを長辺方向３００μｍ、短辺方向１０
μｍ程度の線状に整形し、該線状ビームをその短辺方向に走査させて半導体膜を結晶化し
た場合、一度の走査で得られる大粒径結晶領域の幅は２００μｍ程度となる（以下、大粒
径結晶が見られる領域を大粒径結晶領域と呼ぶ）。
したがって、比較的大きな基板全面に成膜された半導体膜をＣＷのレーザビームによっ
てすべて結晶化するためには、線状ビームの一度の走査によって得られた大粒径結晶領域
の幅ずつ、線状ビームの走査する位置をその長辺方向にずらしてレーザアニールを行う必
要がある。

一方、大粒径結晶領域の形成と同時に線状ビームの長辺方向の両端のエネルギーの減衰
したところにおいて、大粒径結晶領域ではない結晶領域（以後、結晶性不良領域と呼ぶ）
ができる。
その結晶性不良領域の表面においては、凹凸が目立ちＴＦＴを作成するには不向きであ
り、そこにＴＦＴを形成した場合には電気特性のバラツキや動作不良の原因となる。
このようなことから、信頼性の高いＴＦＴを作製するに当たっては、ＴＦＴが結晶性不
良領域に作製されないようにレーザ光の照射の際に正確に位置決めをする必要がある。
しかしながら、そのような配慮をしても線状ビームの長辺方向における長さが長くなる
に伴い、結晶性不良領域が広がってしまう問題がある。

その結果、基板全体に対するＴＦＴを形成できる領域が少なくなってしまい、集積度の
高い半導体装置を作製することが困難になる。
上記の問題は、使用するレーザ光の強度分布がガウス型であることが原因であると考え
られる。
ガウス分布は、ビームスポットの中心部分が最も強度が強く、裾を引くように強度が徐
々に弱くなっていく。
このため、線状ビームを整形し、長辺方向を長くしようとすると、それに伴い、裾部分
が長く延びるため、結晶性不良領域が広くなる結果となる。

これを低減するには、レーザ光の強度の分布をガウス形状ではなくトップフラット型に
する方法がある。
トップフラットにする手法としては回折光学素子や光導波路を用いる手法がレーザ機器
メーカーのカタログ等で紹介されている。
トップフラットにすることで、レーザ光の分布における裾部分を急峻なものとし、レー
ザアニール後にできる結晶性不良領域を極端に減少させることができる。
また、トップフラットにすることで、線状ビームの長辺方向が長くなったとしても、結
晶性不良領域を少なくすることが可能となる。

以上のとおり、トップフラットにする手法には利点があるが、そのうちの回折光学素子
を用いる手法は、良い特性を得るためにナノメートルオーダーの微細加工が必要であり、
技術的に困難な点が多く、コストも高い。
また、光導波路のようなものを用いた場合、５３２ｎｍの波長を持つレーザ光は干渉性
が強いため、照射面においてレーザ光強度の強弱が干渉縞として現れてしまう。

前記したとおりガウス分布に起因する短所を回避するための手法であるトップフラット
にする手法にも問題点があり、そのようなことからガウス分布に起因する短所を回避する
ための別な手法を本発明者らは開発し、既に特許出願した（特願２００４−５８３７８）
。
それは、レーザ光が照射される前にスリットを用いて、ガウス分布の裾部分を遮断する
手法である。
この方法は、結晶性不良領域が形成される部分の弱いレーザ光のみを遮断し、大粒径結
晶領域のみのレーザ光を用いることで、結晶性不良領域を減らすことを可能とするもので
あるが、この手法でも、レーザ光がスリットを通過することにより照射面において回折に
よる縞が現れ、結晶性不良領域の形成を完全には回避できないことがわかった。

本発明者らは、レーザ光のエネルギー強度の弱い、ガウス分布の裾部分をスリットによ
って遮断して線状レーザ光によりレーザアニールする手法において、回折による縞の出現
を回避する技術を開発すべく鋭意研究開発に努め、その結果、開発に成功したのが本発明
である。
したがって、本発明は、レーザ光のエネルギー密度の低い部分をスリットにより遮断し
、かつ光の回折による縞を照射面において発生させることなく、照射面上に均一強度の線
状ビームを照射する、非結晶質半導体膜の結晶化等に好適なレーザアニール方法及びレー
ザアニール装置を提供することを解決すべき課題、すなわち目的とするものである。

また、本発明は、回折により生ずる縞に基づく結晶性不良領域のない結晶性半導体膜、
それを具備するＴＦＴを簡便な手法で製造する方法及び装置を提供することを課題とする
ものである。
さらに、これらを簡潔に言えば、本発明は回折による縞を生じさせることなく、簡便な
手法でレーザアニールの際の結晶性不良領域を無くすことをも課題とするものである。

本発明の前記した解決すべき課題との関連で、まず縞を出現させることになる回折が起
こる現象について説明する。
スリットと像面の距離をＬとし、波数はｋ、波長はλとし、幅ｗのスリット状開口に、
平面波が入射した際に生ずるフラウンホーファー回折像について考察する。
この際スリット面における光の変位を開口での座標ξ、ηの関数として下記式（Ａ−１
）で表す。
また、その際における光の変位像面における複素振幅ｕは、ｘの関数として下記式（
Ａ２）で表すことができ、光強度Ｉは、下記式（Ａ３）となる。
なお、このときスリットの中心をｘ＝０とする。
さらに、長さの逆数であるＸは、下記式（Ａ４）となる。

そして、これらの関数で与えられる強度分布は、Ｘ＝０で最大値１をとり、大部分のレ
ーザ光が中心部に集中する。
この中心部分のピークを０次回折光と呼び、これはスリットから光軸に沿って直進して
きた光に相当する。
中心の周辺にある明るい部分は順に、±１次、±２次、・・・の回折光と呼ばれる。
±ｍ次回折光の（ｍ≠０）強度が極大値をとる位置は、下記に示すほぼ式（Ａ５）とな
り、これを変換すると式（Ａｚ）となる。

本発明は、前記したとおりレーザ光のエネルギー密度の低い部分を遮断し、かつ光の回
折による縞を照射面において発生させることなく、線状レーザ光を照射面に照射すること
ができる、照射面上に線状ビームを照射する、非結晶質半導体膜の結晶化等に好適なレー
ザアニール方法及びレーザアニール装置を提供するものである。
そのレーザアニール方法には、大別して２つの方法があり、第１の方法は、レーザ発振
器から射出されたレーザ光をスリットを通過させてエネルギー密度の低い部分を遮断し、
該レーザ光の通過線上でスリットにできた像を凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レ
ンズによって照射面に投影し、照射することを特徴とするものである。

その際、好ましくはスリットと凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レンズとの間隔
（Ｍ１）及び凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レンズと照射面との間隔（Ｍ２）が
下記の式（１）及び式（２）の関係を満たすようにそれらを配置するのがよい。
Ｍ１＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／Ｄ式（１）
Ｍ２＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／ｓ式（２）
（但し、前記式において、ｓはスリットの幅、Ｄは線状ビームの長辺方向の長さ、ｆは凸
型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レンズの焦点距離である。）
これにより、スリットにおける像が凸型シリンドリカルレンズによって照射面に投影さ
れる。
そのスリットにおける像は式（Ａ４）において、Ｌ＝０の場合に相当するため、この位
置では回折による縞は発生しない。
したがって、スリットの像を投影される照射面においても、縞は発生しない。

第２の方法は、レーザ発振器から射出されたレーザ光をミラーにより所定角度傾斜した
方向から入射し、第１の凸型球面レンズを通過させて非点収差により線状のレーザ光を形
成し、その後スリットで該線状レーザ光のエネルギー密度の低い部分を遮断し、スリット
における線状レーザ光の像を第２の凸型球面レンズを用いて投影できる位置に配置した照
射面に照射することを特徴とするものであり、好ましくはスリットと第２の凸型球面レン
ズとの間隔（Ｍ１）及び第２の凸型球面レンズと照射面との間隔（Ｍ２）が下記式（１）
及び式（２）の関係を満たすようにそれらを配置するのがよい。
Ｍ１＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／Ｄ式（１）
Ｍ２＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／ｓ式（２）
（但し、前記式において、ｓはスリットの幅、Ｄは線状ビームの長辺方向の長さ、ｆは第
２の凸型球面レンズの焦点距離である。）

そして、レーザアニール装置も、レーザアニール方法と同様に２つに大別でき、第１の
レーザアニール装置は、レーザ発振器、該発振器から射出されたレーザ光を通過させエネ
ルギー密度の低い部分を遮断するスリット、及び該低い部分を遮断された該レーザ光の通
過線上でスリットにできた像を照射面に投影する凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面
レンズを備えたことを特徴とするものであり、好ましくはスリットと凸型シリンドリカル
レンズ又は凸型球面レンズとの間隔（Ｍ１）、及び凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球
面レンズと照射面との間隔（Ｍ２）が前記した式（１）及び式（２）の関係を満たすよう
にそれらを配置するのがよい。

第２のレーザアニール装置は、レーザ発振器、該発振器から射出されたレーザ光を凸型
球面レンズに導く所定角度傾斜させたミラー、該ミラーにより反射されたレーザ光を通過
させ非点収差により線状レーザ光を形成する第１の凸型球面レンズ、該線状レーザ光のエ
ネルギー密度の低い部分を遮断するスリット、及び該スリットにおける線状レーザ光の像
を照射面に投影する第２の凸型球面レンズを備えたことを特徴とするものであり、好まし
くは該スリットと該第２の凸型球面レンズとの間隔（Ｍ１）及び該第２の凸型球面レンズ
と該照射面との間隔（Ｍ２）が前記した式（１）及び式（２）の関係を満たすようにそれ
らを配置するのがよい。

本発明は、スリットを用いてレーザ光のエネルギー密度の低い部分を遮断し、該低い部
分を遮断された該レーザ光の通過線上でスリットにできた像をレンズを用いて照射面に投
影するものであり、それによりスリットにおける光の回折による干渉縞の出現を照射面に
おいて回避できる。
そのため照射面上に光の回折による干渉縞のない線状のレーザビームを照射することが
でき、非結晶質半導体膜の結晶化等において好適なレーザアニールを行うことができる。
また、本発明を利用することにより結晶性の均一なＴＦＴ等の半導体装置を簡便に製造
することができる。

発明を実施するための最良の形態及び実施例１を説明するためのレーザアニール方法及び装置を示す鳥瞰図。発明を実施するための最良の形態及び実施例１を説明するためのレーザアニール方法及び装置を示す上面図及び側面図。実施例２を説明するためのレーザアニール方法及び装置を示す鳥瞰図。第２のレーザアニール方法及び装置である実施例３を説明するためのレーザアニール方法及び装置を示す鳥瞰図。第２のレーザアニール方法及び装置である実施例３を説明するためのレーザアニール方法及び装置を示す上面図及び側面図。本発明によるレーザアニール装置を用いて、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製する工程を図示する。本発明のレーザアニール方法により作製することができる各種表示装置。本発明のレーザアニール方法により結晶化された半導体膜表面。従来のレーザアニール方法により結晶化された半導体膜表面。

以下において、本発明について、発明を実施するための最良の形態を含む実施の形態に
関し説明するが、本発明は、それによって何ら限定されるものではなく特許請求の範囲の
記載によって特定されるものであることはいうまでもない。
本発明は、前記したとおりの発明特定事項を有するものであり、その特徴を簡単にいえ
ば、それはスリットを用いてレーザ光のエネルギー密度の低い部分を遮断し、その低い部
分を遮断されたレーザ光の通過線上でスリットにできた像をレンズにより照射面に投影す
ることである。

また、本発明は、前記したとおり凸型シリンドリカルレンズを用いる第１のレーザアニ
ール方法と凸型球面レンズを用いる第２レーザアニール方法の２種の態様に大別すること
ができ、
さらに、第１のレーザアニール方法には、図１、２に図示する実施例１の照射面に対し
てレーザ光が垂直入射する場合と、図３に図示する実施例２の同面に斜め入射する場合の
２つの態様がある。

そのスリットを入れる位置については、投影手段として用いるレンズの焦点距離、スリ
ットの幅及び投影倍率により決まる。
スリットの位置は式（Ａｚ）においてＬ＝０に相当するため、スリットにできた像をレ
ンズを用いて転送し、完全に投影することができれば、高次の回折光を限りなく小さくす
ることができる。
したがって、前記スリット、レンズ及び照射面の位置関係が適切な位置でのみ回折によ
る縞を照射面に伝達することなく、大粒径結晶領域を作製することが可能となる。
すなわち、線状レーザ光のエネルギー密度が不均一となる回折光による縞を照射面に形
成することなく、レーザ照射を行うことができる。

本発明において使用するレーザ発振器については特に制限されることはなく、パルス発
振あるいは連続発振のいずれのレーザ発振器も使用することができ、パルス発振のレーザ
発振器としては、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザあるいはＹＶＯ₄レーザ等が例示でき、
連続発振のレーザ発振器としてはＡｒレーザ、ＹＶＯ₄レーザあるいはＹＡＧレーザ等を
例示できる。
本発明においては、レーザ発振器から射出されたレーザ光は、スリットに直進させても
よいが、レーザ発振器とスリットの間にミラーを配置し、レーザ光の進行方向を偏向して
スリットに導くほうが光学調整が正確にできるので好ましい。

そのレーザ発振器に連続発振するレーザを用いると、半導体膜内に形成される結晶の粒
径が大きくなって、該半導体膜を用いて形成されるＴＦＴチャネル領域に入る粒界の数が
減り、その結果キャリア移動度が高くなり、より高性能なデバイスの開発に利用でき好ま
しいが、特に固体レーザを用いると更にレーザ出力安定の点で好ましい。
また、ＣＷ（連続発振）レーザに用いられる固体のレーザ媒質から発振する波長は、一
般的に赤から近赤外域であり、これらの波長域は半導体膜への吸収効率が低いため、非線
形光学素子を用いて可視域以下の波長を持つ高調波に変換するのがよい。
なお、その際には大出力を得やすい近赤外の基本波を第二高調波であるグリーンのレー
ザビームに変換するのが最も変換効率が高くよい。

本発明において使用するスリットについても特に制限されることはなく、スリットを通
過した際にエネルギー密度の低い部分を遮断できれば各種の構造あるいは形状のものが使
用でき、それには、反射体、吸収体あるいはプリズム等が例示できるが、耐久性の点で反
射体が好ましい。
同じく使用する凸型シリンドリカルレンズについても特に制限されることはなく、一方
向にのみ伸びる長尺状のビームを形成することができるものであれば、各種の構造あるい
は形状のものが使用できる。
そのような凸型シリンドリカルレンズとしては、凸面が入射側、出射側のいずれか一方
に形成されているものでもよく、両方に形成されているものでも勿論よいが、低収差、精
度の点で入射側に凸面が形成されているものがよい。

本発明の第２のレーザアニール方法及び装置においては、第１のレーザアニール方法及
び装置で使用する凸型シリンドリカルレンズではなく、凸型球面レンズを使用するもので
あり、凸型球面レンズはその場合にも特に制限されることはなく、スリットで形成された
長尺状のレーザ光を照射面に投影できるものであれば各種の構造あるいは形状のものが使
用でき、その凸面の形成形態については、凸型シリンドリカルレンズと同様に入射側、出
射側のいずれか一方、あるいは両方に形成されていてもよい。
なお、本発明の第２のレーザアニール方法及び装置については、図４及び５に図示し、
実施例３において詳述する。

次に、本発明について、発明を実施するための最良の形態に関し、図１を用いて、その
概要をまず説明する。
図１において、レーザ光は、ＣＷあるいは繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のモードロ
ックパルス発振のレーザ発振器１０１から射出され、そのレーザ光はスリット１０２によ
ってレーザ光のエネルギー密度が低い部分を遮断され、ミラー１０３によって半導体膜１
０６の方向に偏向される。

その偏向されたレーザ光は一方向にのみ作用する凸型シリンドリカルレンズ（「発明を
実施するための最良の形態」の欄における以下の記載及び実施例の記載においては、特に
必要が無い限り、単に「シリンドリカルレンズ」という）１０４によって、スリット１０
２の像を長尺状にして照射面である半導体膜１０６上に投影する。
そのシリンドリカルレンズは、前記したとおり一方向にのみ作用するものであるから、
先のレーザ光はシリンドリカルレンズ１０４と９０度回転した一方向にのみ作用するシリ
ンドリカルレンズ１０５によって集光され、半導体膜１０６に照射される。

なお、その際には、シリンドリカルレンズ１０４は照射面における線状ビームの長辺方
向にのみ作用し、シリンドリカルレンズ１０５は短辺方向にのみ作用するものである。
すなわち、シリンドリカルレンズ１０４によって長辺方向の長さを変更されたレーザ光
は、シリンドリカルレンズ１０５によっては長辺方向の長さが変化することはなく、短辺
方向の長さのみが変化することになる。

これらに関し、図２を用いて更に詳しく説明する。
この図２における番号についても図１で用いたものと共通の番号を使用する。
図２(ａ)は図１における上面図であり、そこでは照射面における線状ビームの長軸方向
に作用する光路を示しており、図２(ｂ)は、図１における側面図であり同ビームの短軸方
向を示している。
レーザ発振器１０１から射出したレーザ光はスリット１０２によってレーザ光の一部を
遮られ、レーザ光の強度が強い部分のみが通過する。
通過したレーザ光はシリンドリカルレンズ１０４によってスリット１０２でできた像を
半導体膜１０６に投影するものである。

ここで、本発明で採用するシリンドリカルレンズ１０４とスリット１０２及び照射面と
なる半導体膜１０６との間の位置関係について式を使用して詳しく説明する。
その際に使用する記号は以下のとおりである。
シリンドリカルレンズ１０４の焦点距離をｆとし、スリット１０２の幅をｓとする。
このとき、スリット１０２とシリンドリカルレンズ１０４との間隔をＭ１とし、シリン
ドリカルレンズ１０４と半導体膜１０６との間隔をＭ２とする。
また、照射面となる半導体膜１０６上での長辺方向の長さをＤとする。

これら記号を使用すると、前記位置関係については次の２式が成り立つ。
ｓ／Ｄ＝Ｍ１／Ｍ２式（ａ）
１／ｆ＝１／Ｍ１＋１／Ｍ２式（ｂ）
さらに、これら２式より下記式の関係が成り立つ。
Ｍ１＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／Ｄ式（１）
Ｍ２＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／ｓ式（２）

したがって、これらの関係を満たす位置にスリット、シリンドリカルレンズ、照射面を
配置することで、回折による光の強弱は半導体膜に伝達されなくなる。
これにより、結晶性不良領域を形成することがほとんどないレーザ照射が可能となり、
これらの関係を満たすことは好ましい。
さらに、シリンドリカルレンズの代わりに同じ焦点距離ｆを持つ凸型球面レンズを使っ
てもよい。
なお、その際には凸型球面レンズは線状ビームの短辺方向にも作用するため、それを補
償するレンズを加えて使用するのがよい。

そして、本発明においては、前記に加えてシリンドリカルレンズを用いることなく、凸
型球面レンズを用いる図４及び図５に図示する第２レーザアニール方法もあるが、その場
合にも同様の関係が成り立つ。
すなわち、実施例３において述べるように、スリット４０４、第２の凸型球面レンズ４
０５及び半導体膜４０６の位置関係について同様の関係が成り立つ。
具体的には、スリット４０４と第２の凸型球面レンズ４０５との間隔（Ｍ１）、第２の
凸型球面レンズ４０５と半導体膜４０６との間隔（Ｍ２）の位置関係には、前記式（１）
及び（２）の関係が成り立つ。
但し、その場合には前記式においてｆは第２の凸型球面レンズの焦点距離である。

続いて、図１に基づいて、本発明によるレーザアニールについて説明にする。
照射面となる半導体膜１０６を成膜したガラス基板１０７を、１００〜１０００ｍｍ／
ｓｅｃの速度で移動させることができるＸステージ１０８及びＹステージ１０９上に設置
し、レーザ発振器１０１から射出されたレーザ光を照射しながら適切な速度にて走査移動
させることにより、本発明では基板全面に大粒径結晶を作製するものである。
本発明者らの経験から予想される最適な走査速度は、４００ｍｍ/ｓｅｃ前後である。
このような手法で大粒径結晶を形成した半導体膜は、その後周知の手段を使用すること
によりＴＦＴを作製することができ、高速デバイスを作製することができる。

以下において、本発明に関し実施例１ないし５を挙げて更に具体的に説明するが、本発
明はこれら実施例によってなんら限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によっ
て特定されるものであることはいうまでもない。
まず、モードロックパルスレーザとシリンドリカルレンズ２枚を用いて垂直入射した場
合について実施例１として以下に示す。

[モードロックパルスレーザとシリンドリカルレンズ２枚を用いた垂直入射の実施例]
この実施例１は、第１のレーザアニール方法及び装置の実施例であって、かつ強度の弱
い部分を遮断されたレーザ光を照射面に垂直入射する実施例であり、これに関し再度図１
を用いて説明する。
この実施例においては、レーザ発振器１０１は、出力１０Ｗ，繰り返し周波数８０ＭＨ
ｚ、パルス幅１０ｐｓｅｃ、波長５３２ｎｍ、ビーム径２．２５ｍｍ、ビーム品質ＴＥＭ
₀₀のモードロックパルスレーザ発振器を用いた。

そこから射出したレーザ光は、スリット１０２によってレーザ光のエネルギー密度が低
い部分を遮断され、ミラー１０３によってガラス基板１０７上に成膜された半導体膜１０
６に対して垂直方向に偏向される。
前記半導体膜１０６は、厚さ０．７ｍｍのガラス基板１０７上にＣＶＤ装置を用いてａ
−Ｓｉ膜を厚さ６６０Åに成膜した後に、該ａ−Ｓｉ膜のレーザビームに対する耐性を向
上させるために５００度の窒素雰囲気下で１時間の炉アニールを行ったものを使用した。
なお、前記スリット１０２の間隔は０．８ｍｍとした。

前記偏向されたレーザ光は、一方向にのみ作用するシリンドリカルレンズ１０４によっ
て、スリット１０２の像を照射面である半導体膜１０６上に垂直に投影する。
さらに、レーザ光はシリンドリカルレンズ１０４と凸面が９０度回転した同じく一方向
にのみ作用するシリンドリカルレンズ１０５によって集光され、半導体膜１０６に照射さ
れる。
そのため、シリンドリカルレンズ１０４は照射面における線状ビームの長辺方向にのみ
作用し、シリンドリカルレンズ１０５は短辺方向にのみ作用することになる。
なお、照射面となる半導体膜１０６上に整形する線状ビームの長辺方向の長さは０．２
ｍｍとし、前記シリンドリカルレンズ１０４及び１０５は、焦点距離がそれぞれ１５０ｍ
ｍ及び２０ｍｍのものを用いた。

また、この実施例１では、超短パルスのレーザ光を用いているため、ガラス基板裏面か
らの反射光と入射光との光の干渉の影響を受けることがなく、半導体膜１０６上において
結晶性の大きなばらつきが生ずることを回避できる。
すなわち、この２つの光による干渉の影響を受けた場合、レーザ光の強弱が縞となって
現れ、アニール後の半導体膜１０６上に結晶のばらつきが大きく生じる。
これに関し、以下において更に言及する。

前記したとおり該実施例１におけるレーザ光のパルス幅は１０ｐｓｅｃであり、１パル
スのレーザ光がその間に進む距離は３ｍｍ程度である。
この実施例ではガラス基板１０７は、厚さが０．７ｍｍのものを使用しており、その結
果入射光がガラス基板１０７の裏面で反射し、再びガラス基板１０７の表面に戻ってくる
までの距離は１．４ｍｍとなり、入射光とガラス基板１０７の裏面からの反射光が同時に
半導体膜１０６内に混在する時間は、パルス幅の約半分程度である。
そのため、この実施例１では、光の干渉の影響を大きく受けることなくレーザアニール
を行うことが可能となる。

本発明では、シリンドリカルレンズ１０４とスリット１０２及び照射面となる半導体膜
１０６との間の位置関係は、前記式（１）及び（２）を満たすことが好ましいことから、
それを満たすために本実施例１においてもそれら位置関係は以下の通りとした。
前記したとおりシリンドリカルレンズ１０４の焦点距離１５０ｍｍ、スリットの幅０．
８ｍｍ、照射面となる半導体膜１０６上に整形する線状ビームの長辺方向の長さ０．２ｍ
ｍであるから、それらに基づいて前記（１）及び（２）を満たすために必要なスリット１
０２とシリンドリカルレンズ１０４との間隔（Ｍ１）及びシリンドリカルレンズ１０４と
半導体膜１０６との間隔（Ｍ２）を求めた。

その結果は、以下の通りとなる。
Ｍ１＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／Ｄ＝１５０×（０.８＋０.２）／０.２＝７５０ｍｍ
Ｍ２＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／ｓ＝１５０×（０.８＋０.２）／０.８＝１８７.５ｍｍ
したがって、本実施例においては、これらの関係を満たす位置にスリット１０２、シリ
ンドリカルレンズ１０４、照射面１０６を配置した。

このように配置して、モードロックパルスレーザを放射し照射面である半導体膜上に照
射したところ、回折による縞は伝達されなくなり、レーザ光が均一に照射され大粒径結晶
領域の幅が０．２ｍｍで、結晶性不良領域が形成されることなく大粒径結晶がむら無く均
一に形成された。
その結果、本実施例１では結晶性不良領域がほとんど形成されないレーザ照射が可能と
なった。

また、本実施例において、半導体膜１０６を成膜したガラス基板１０７を、Ｘステージ
１０８及びＹステージ１０９上に設置し、４００ｍｍ／ｓｅｃの速度で走査移動させるこ
とにより基板全面に大粒径結晶を作製できた。
このような手法で大粒径結晶を形成した半導体膜は、その後周知の手段を使用すること
によりＴＦＴを作製することができ、高速デバイスを作製することができる。

[ＣＷレーザとシリンドリカルレンズ２枚を用いた斜め入射の実施例]
この実施例２も第１のレーザアニール方法及び装置の実施例であり、この実施例におい
ても実施例１と同様にシリンドルカルレンズを用いているが、レーザ発振器に実施例１と
は異なるＣＷレーザを用いており、それに伴って実施例１とは異なる態様となっている。
すなわち、この実施例２は、第１のレーザアニール方法及び装置の実施例ではあるが、
実施例１とは別な態様のものであって、エネルギー密度の低い部分を遮断されたレーザ光
は照射面に斜めに入射するものであり、この実施例２に関し図３を用いてまず説明する。

本実施例においては、レーザ発振器３０１は、出力１０Ｗ、波長５３２ｎｍ、ビーム径
２．２５ｍｍ、ビーム品質ＴＥＭ₀₀のＣＷレーザ発振器を用いた。
そこから射出したレーザ光は、スリット３０２によってレーザ光のエネルギー密度が低
い部分を遮断され、ミラー３０３によってガラス基板３０７上に成膜された半導体膜３０
６の面に対して斜めの方向に偏向される。
前記半導体膜３０６は、厚さ０．７ｍｍのガラス基板３０７上にＣＶＤ装置を用いてａ
−Ｓｉ膜を厚さ６６０Åに成膜した後に、該ａ−Ｓｉ膜のレーザビームに対する耐性を向
上させるために５００度の窒素雰囲気下で１時間の炉アニールを行ったものを使用した。
なお、前記スリット３０２の間隔は０．８ｍｍとする。

その偏向されたレーザ光は、一方向にのみ作用するシリンドリカルレンズ３０４によっ
て、スリット３０２の像を照射面である半導体膜３０６上に斜めに投影する。
さらに、レーザ光はシリンドリカルレンズ３０４と９０度回転した同じく一方向にのみ
作用するシリンドリカルレンズ３０５によって集光され、半導体膜３０６に照射される。
そのため、シリンドリカルレンズ３０４は照射面における線状ビームの長辺方向にのみ
作用し、シリンドリカルレンズ３０５は短辺方向にのみ作用する。
なお、照射面となる半導体膜１０６上に整形する線状ビームの長辺方向の長さは０．２
ｍｍとし、前記シリンドリカルレンズ３０４及び３０５は、焦点距離がそれぞれ１５０ｍ
及び２０ｍｍのものを用いた。

本発明では、シリンドリカルレンズ３０４とスリット３０２及び照射面となる半導体膜
３０６との間の位置関係は、前記式（１）及び（２）を満たすことが好ましいことから、
それを満たすために本実施例２においてもそれら位置関係は以下の通りとした。
すなわち、シリンドリカルレンズ３０４の焦点距離１５０ｍｍ、スリットの幅０．８ｍ
ｍ、照射面となる半導体膜３０６上に整形する線状ビームの長辺方向の長さ０．２ｍｍで
あるから、それらに基づいて前記（１）及び（２）を満たすために必要なスリット３０２
とシリンドリカルレンズ３０４との間隔（Ｍ１）及びシリンドリカルレンズ３０４と半導
体膜３０６との間隔（Ｍ２）を実施例１の場合と同様に求めた。

その結果は、実施例１の場合と同様であり、下記のとおりとなる。
Ｍ１＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／Ｄ＝１５０×（０.８＋０.２）／０.２＝７５０ｍｍ
Ｍ２＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／ｓ＝１５０×（０.８＋０.２）／０.８＝１８７.５ｍｍ
したがって、本実施例においては、これらの関係を満たす位置にスリット、シリンドリ
カルレンズ及び照射面を配置した。
このように配置して、ＣＷレーザを放射し照射面である半導体膜上に照射したところ、
回折による縞は伝達されなくなり、レーザ光が均一に照射され大粒径結晶領域の幅が０．
２ｍｍで、結晶性不良領域が形成されることなく大粒径結晶が均一に形成された。
その結果、本実施例２では結晶性不良領域がほとんど形成されないレーザ照射が可能と
なった。

そして、この実施例２においては、レーザ発振器はＣＷレーザを用いており、そのため
ガラス基板３０７の裏面からの反射光と、レーザ入射光とが半導体膜３０６上で干渉する
ことを避けるために、反射光と入射光が半導体膜３０６上で重なり合わないように、レー
ザ光を半導体膜３０６に対してある一定の角度以上を持って入射させる必要がある。
その際には、レーザ光の入射方向におけるビームスポットの長さをｌ、レーザ光の入射
角度をθ、ガラス基板の厚さをｄとすると、レーザ光の入射角度は下記式を満たすように
するのが好ましく、本実施例では前記入射角度θを２０度とした。

なお、本実施例は、この点において実施例１とは異なっており、この点は本実施例の特
徴点ともなっているが、逆にこの点の存在ゆえに第１のレーザアニール方法であるにもか
かわらず、実施例１とは別の態様となっている。

また、本実施例において、半導体膜３０６を成膜したガラス基板３０７を、Ｘステージ
３０８及びＹステージ３０９上に設置し、４００ｍｍ／ｓｅｃの速度で走査移動させるこ
とにより基板全面に大粒径結晶を作製できた。
このような手法で大粒径結晶を形成した半導体膜は、その後周知の手段を使用すること
によりＴＦＴを作製することができ、高速デバイスを作製することができる。

[モードロックパルスレーザと凸型球面レンズ２枚を用いた斜め入射の実施例]
この実施例３は、シリンドルカルレンズに代わって、凸型球面レンズを用いる第２のレ
ーザアニール方法及び装置の実施例であり、これについて図４を用いて説明する。
本実施例においては、レーザ発振器４０１は、出力１０Ｗ、繰り返し周波数８０ＭＨｚ
、パルス幅１０ｐｓｅｃ、波長５３２ｎｍ、ビーム径２．２５ｍｍ、ビーム品質ＴＥＭ₀₀
のモードロックパルスレーザ発振器４０１を用いた。
そこから射出したレーザ光は、まずミラー４０２によって偏向される。

その偏向されたレーザ光は、焦点距離２０ｍｍの第１の凸型球面レンズ４０３に斜め方
向より入射することで、レンズの非点収差によりスリット４０４上において線状となる。
この線状となったレーザ光のスポットサイズは、短軸方向に０．０４ｍｍ、長軸方向に
１ｍｍである。
そのスリット４０４の間隔を長軸方向に０．８ｍｍとし、このスリットにより線状ビー
ムの両端のエネルギー密度が低い部分を遮断する。
その遮断されたレーザ光を焦点距離４０ｍｍの第２の凸型球面レンズ４０５を用いて半
導体膜４０６上に４分の１の大きさで縮小投影し、半導体膜４０６上において短軸１０μ
ｍ、長軸２００μｍの線状ビームを形成する。

これらに関し、実施例３の光学系の概略図を示す図５を用いて更に詳しく説明する。
この図５における番号についても図４で用いたものと共通の番号を使用する。
図５(ａ)は図４における上面図であり、そこでは照射面における線状ビームの長軸方向
に作用する光路を示しており、図５(ｂ)は、図４における側面図であり同ビームの短軸方
向を示している。
前記照射面に配置される前記半導体膜４０６は、厚さ０．７ｍｍのガラス基板４０７上
にＣＶＤ装置を用いてａ−Ｓｉ膜を厚さ６６０Åに成膜した後に、該ａ−Ｓｉ膜のレーザ
ビームに対する耐性を向上させるために、予め５００度の窒素雰囲気下で１時間の炉アニ
ールを行ったものを使用した。

本実施例では、前記したとおり超短パルスのレーザ光を用いており、その結果ガラス基
板裏面からの反射光と入射光との光の干渉による悪影響を受けることはない。
なお、この光の干渉の影響を受けた場合、レーザ光の強弱が縞となって現れ、アニール
後の半導体膜４０６上に結晶のばらつきが大きく生じる。
この実施例における、前記光の干渉に関し、詳述すると以下のとおりである。
本実施例においては、レーザ光のパルス幅は１０ｐｓｅｃであることから、１パルスの
レーザ光が１０ｐｓｅｃの間に進む距離は３ｍｍ程度である。

また、本実施例では、ガラス基板４０７の厚さは０．７ｍｍとしており、入射光がガラ
ス基板４０７の裏面で反射し、再びガラス基板４０７の表面に戻ってくるまでの距離は１
．４ｍｍであり、入射光とガラス基板４０７の裏面からの反射光が同時に半導体膜４０６
内に混在する時間は、パルス幅の約半分程度である。
そのため光の干渉の影響を大きく受けることなくレーザアニールが可能となる。

本発明の第２のレーザアニール方法及び装置においては、第２の凸型球面レンズ４０５
とスリット４０４、及び第２の凸型球面レンズ４０５と照射面となる半導体膜４０６との
間の位置関係は、前記したとおり前記した式（１）及び（２）を満たすことが好ましいこ
とから、それを満たすために本実施例３においてもそれら位置関係は以下の通りとした。
前記したとおり第２の凸型球面レンズ４０５の焦点距離４０ｍｍ、スリットの幅は０．
８ｍｍ、照射面となる半導体膜４０６上で整形したい線状ビームの長辺方向の長さ０．２
ｍｍであるから、それらに基づいて前記した式（１）及び（２）を満たすために必要なス
リット４０４と第２の凸型球面レンズ４０５の間隔（Ｍ１）及び第２の凸型球面レンズ４
０５と半導体膜４０６の間隔（Ｍ２）を実施例１及び実施例２の場合と同様に求めた。

その結果は、下記のとおりとなる。
Ｍ１＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／Ｄ＝４０×（０.８＋０.２）／０.２＝２００ｍｍ
Ｍ２＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／ｓ＝４０×（０.８＋０.２）／０.８＝５０ｍｍ
したがって、本実施例においては、これらの関係を満たす位置にスリット、第２の凸型
球面レンズ及び照射面を配置した。

このように配置して、モードロックパルスレーザを放射し照射面である半導体膜上に照
射したところ、回折による縞は伝達されなくなり、レーザ光が均一に照射され大粒径結晶
領域の幅が０．２ｍｍで、結晶性不良領域が形成されることなく大粒径結晶がむら無く均
一に形成された。
その結果、本実施例３では結晶性不良領域がほとんど形成されないレーザ照射が可能と
なった。

また、本実施例においても、半導体膜４０６を成膜したガラス基板４０７を、Ｘステー
ジ４０８及びＹステージ４０９上に設置し、４００ｍｍ／ｓｅｃの速度で線状ビームの短
辺方向に走査移動させることにより基板全面に大粒径結晶を作製できた。
このような手法で大粒径結晶を形成した半導体膜は、その後周知の手段を使用すること
によりＴＦＴを作製することができ、高速デバイスを作製することができる。

本実施例４では、上記実施の形態又は実施例で示したレーザ照射方法を用いて、半導体
膜の結晶化を行った場合の実施例であり、これについて以下に説明する。
また、比較例として従来のレーザ照射方法を用いて結晶化を行った場合も示す。
本実施例においては、上記実施例１と同様に第１のレーザアニール方法及び装置を用い
（図１参照）、かつ強度の弱い部分を遮断したレーザ光を照射面に垂直入射する方法を用
いた。

ここでは、レーザ発振器として、出力１０Ｗ、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１
０ｐｓｅｃ、波長５３２ｎｍ、ビーム径１．００ｍｍ、ビーム品質ＴＥＭ₀₀のモードロッ
クパルスレーザ発振器を用いた。
結晶化を行う半導体膜は、厚さ０．７ｍｍのガラス基板上にＣＶＤ装置を用いてａ−Ｓ
ｉ膜を厚さ６６ｎｍに成膜した後、窒素雰囲気下で５００℃、１時間の熱処理を行ったも
のを使用した。
なお、熱処理は当該ａ−Ｓｉ膜のレーザビームに対する耐性を向上させるために行った
。

その際に用いるレーザ照射装置の光学系の構成は実施例１と同様とし、レーザ発振器か
ら射出されたレーザ光を、スリットを通過させ、それぞれ一方向のみに作用する第１のシ
リンドリカルレンズと第２のシリンドリカルレンズを介して半導体膜表面に垂直に照射さ
せた。
なお、第１のシリンドリカルレンズは照射面における線状ビームの長辺方向にのみ作用
し、第２のシリンドリカルレンズは短辺方向にのみ作用するものとする。

そのスリットの幅、スリットと第１のシリンドリカルレンズとの間隔、第１のシリンド
リカルレンズと半導体膜との間隔が上記実施の形態で示した式（１）及び式（２）を満た
すように配置した。
ここでは、スリットの間隔を０．８ｍｍとし、前記第１のシリンドリカルレンズと第２
のシリンドリカルレンズとして、焦点距離がそれぞれ１５０ｍｍ及び２０ｍｍのものを用
い、半導体膜上に照射されたビームスポットの長辺方向の長さを２５０μｍとした。

そして、半導体膜が設けられたガラス基板を、Ｘステージ及びＹステージ上に設置し、
４００ｍｍ／ｓｅｃの速度で走査移動させることにより半導体膜の結晶化を行った。
このときの半導体膜の表面の像を図８に示す。
その図８の像より、上記レーザ照射装置を用いて半導体膜の結晶化を行った場合、レー
ザ光が照射された領域の全面に大粒径結晶領域が形成されているのが観察された。
ここでは幅２５０μｍの大粒径結晶が形成された。

また、上記レーザ照射方法で行った場合と比較するために、上記方法とは異なるレーザ
照射方法により半導体膜の結晶化を行った。
ここでは、スリットを設けずに２枚のシリンドリカルレンズを用いて半導体膜にレーザ
光を照射することにより結晶化を行った。
このときの半導体膜の表面の像を図９に示す。
ここでは、図８と同様に半導体膜上に幅２５０μｍの大粒径結晶が形成される条件でレ
ーザ発振器の出力及びシリンドリカルレンズの配置を調整した。

その図９において、半導体膜表面に幅２５０μｍの大粒径結晶領域が形成されているが
、レーザ光を照射した領域の両端には結晶性不良領域が形成されているのが観察された。
これは、半導体膜に照射されるレーザ光はガウス型の強度分布を持っているため、レー
ザ光のエネルギー密度の低い部分（ビームスポットの両端部）では、レーザ照射によって
半導体膜を十分に溶融させることができない。

つまり、スリットを設けない方法では、半導体膜に照射されるレーザ光はガウス型の強
度分布を有しているため、強度の強いレーザ光が照射された部分では半導体膜を十分に溶
融させることができるが、強度の弱いレーザ光が照射された部分では、半導体膜を十分に
溶融させることができないため、結晶性不良領域が形成される。
それに対して、本実施例のレーザ照射方法では、スリットを通過したレーザ光を特定の
条件を満たすように配置したレンズを介して半導体膜に照射するため、レーザ光の回折に
よる縞の発生を防ぎ、スリットを設けないレーザ照射方法に比べて結晶性不良領域を縮小
することができる。

そして、図８、９で示したように、同じ幅を有する大粒径結晶領域を形成する場合、従
来の方法（図９）だと結晶性領域の両端部に幅の広い結晶性不良領域が形成される。
そのレーザを照射した半導体膜を用いてＴＦＴを作製する場合、このような結晶性不良
領域をＴＦＴの活性層に用いると電気特性のばらつきや動作不良の原因となる。
従って、結晶性不良領域を避けてＴＦＴを形成する必要があり、幅の広い結晶性不良領
域の存在は高集積化を妨げる要因となる。

他方、本実施例のレーザ照射方法を用いた場合には、図８に示すように大粒径結晶領域
の両端部に結晶性不良領域がほとんど形成されない。
そのため、基板上にほとんど隙間無くＴＦＴを形成することができ、ＴＦＴを高集積化
することが可能である。
また、本実施例のレーザ照射方法を用いた場合、従来のレーザ照射方法により結晶化し
た場合に比べて、線状ビームのエネルギー密度分布のバラツキが小さいため、大粒径結晶
領域の結晶性のばらつきが改善されている。

そのため、本実施例のレーザ照射方法を用いることにより、ＴＦＴ特性のばらつきが少
なくなり、デバイス特性を向上させることが可能である。
前記のとおりであり、本実施例のようにスリットと２枚のシリンドリカルレンズと高出
力のレーザ発振器を組み合わせて用いることで結晶性不良領域を拡大することなく大粒径
結晶領域を拡大でき、半導体膜表面に結晶の大きなばらつきを生じさせることなく幅の広
い大粒径結晶領域を作製することが可能である。
したがって、本実施例のレーザ照射装置を用いた場合、ＴＦＴ特性を向上させ、ＴＦＴ
を高集積化することが可能となる。

なお、本実施例ではガラス基板上にａ−Ｓｉ膜を成膜した基板にレーザ照射を行ったが
、基板の構成は本実施例の形状に限定されない。
本発明の光学系はスリットを用いて一定の大きさの線状ビームを半導体膜表面に形成し
ているため、照射対象になるものが変わっても大粒径結晶領域の幅は変化しない。
例えば、下地膜を有するガラス基板上にａ−Ｓｉ膜を成膜した基板にレーザ照射を行っ
てもよいし、あるいは基板上に剥離層、下地膜、ａ−Ｓｉ膜の順に形成した基板にレーザ
照射しても幅の広い大粒径結晶領域を作製することが可能である。

[ＴＦＴを作製するための実施例]
この実施例においては、本発明によるレーザアニール装置を用いて、薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）を作製する工程について、図６を用いて説明する。
まず、図６（Ａ）に示すように、絶縁表面を有するガラス基板７００上に下地膜７０１
を形成する。

その基板７００には、例えばバリウムホウケイ酸ガラスや、アルミノホウケイ酸ガラス
などのガラス基板、石英基板、ＳＵＳ基板等を用いることができる。
また、ＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＥＮに代表されるプラスチックや、アクリル等の可撓性を有
する合成樹脂からなる基板は、一般的に他の基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが
、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることができる。
下地膜７０１は、ガラス基板７００中に含まれるＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土
類金属が、半導体膜中に拡散し、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすのを防ぐために設け
る。

そのため、アルカリ金属やアルカリ土類金属の半導体膜中への拡散を抑えることができ
る酸化珪素や、窒化珪素、窒化酸化珪素などの絶縁膜を用いて形成する。
本実施例では、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化酸化珪素膜を１０〜４００ｎｍの膜厚に
なるように成膜した。
ガラス基板又はプラスチック基板のようにアルカリ金属やアルカリ土類金属が多少なり
とも含まれている基板を用いる場合、不純物の拡散を防ぐという観点から下地膜を設ける
ことは有効であるが、石英基板など不純物の拡散がさして問題とならない場合には必ずし
も設ける必要はない。

その下地膜上には、続いて非晶質半導体膜７０２を形成するが、その膜厚は２５〜１０
０ｎｍ（好ましくは３０〜６０ｎｍ）とする。
また、非晶質半導体膜は、珪素やシリコンゲルマニウムを用いることができるがここで
は珪素を用いる。
シリコンゲルマニウムを用いる場合、ゲルマニウムの濃度は０．０１〜４．５ａｔｏｍ
ｉｃ％程度であることが好ましい。
続いて、図６（Ｂ）に示すように、本発明のレーザアニール装置を用いて非晶質半導体
膜７０２にレーザ光を照射し、結晶化を行う。

本実施例では、レーザ光として、１０Ｗの第２高調波、ＴＥＭ₀₀の連続発振のＮｄ：Ｙ
ＶＯ₄レーザを用いる。
なお、スリット７３１、レンズ７３２を用いてレーザ光を加工することで非晶質半導体
膜７０２の表面に形成される第１のビームスポットを短軸１０μｍ、長軸５００μｍの矩
形状とする。
そのレーザ光は、非晶質半導体膜７０２の表面において、図６（Ｂ）に示した矢印の方
向に向かって走査する。
そのレーザ光の照射により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る。

前記のように、走査方向に向かって長く延びた結晶の粒を形成することで、少なくとも
ＴＦＴのチャネル方向には結晶粒界のほとんど存在しない結晶性半導体膜７０３の形成が
可能となる。
また、スリット７３１を用いてレーザ光のエネルギー密度が低い部分を遮断し、レンズ
７３２を用いて照射面に投影することによって、光の回折による縞のない均一強度の線状
のレーザ光を照射することができる。
その後、図６（Ｃ）に示すように結晶性半導体膜７０３をパターニングし、島状の半導
体膜７０４〜７０７が形成され、島状の半導体膜７０４〜７０７を用いてＴＦＴに代表さ
れる各種の半導体素子が形成される。

さらに、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。
そのゲート絶縁膜７０８には、例えば酸化珪素、窒化珪素または窒化酸化珪素等を用い
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。
ここでは、スパッタ法を用いて、膜厚を３０ｎｍ〜２００ｎｍとして珪素を含む絶縁膜を
形成する。

次に、図示しないが、ゲート絶縁膜上に導電膜を形成しパターニ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パターニ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型又は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領域等を形成する。
上述の工程によって、Ｎチャネル型ＴＦＴ７１０、７１２と、Ｐチャネル型ＴＦＴ７１
１、７１３を同一基板上に形成することができる（図６（Ｄ））。

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については、プラズマＣＶＤ法又はスパッタ法を用い、厚さを１００
ｎｍ〜２００ｎｍとして珪素を含む絶縁膜を用いて、単層又は積層構造として形成する。
本実施例では、プラズマＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素膜を形成した。
その後、絶縁膜７１４上に、有機絶縁膜７１５を形成する。

その有機絶縁膜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。
その絶縁膜７１５は、ガラス基板上９００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７１
６〜７２３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６（Ｄ）に図示するような半導体
装置が完成する。
なお、本発明のレーザアニール方法を用いた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。

本発明では、レーザ光の照射方法を用いて得られる結晶性半導体膜をＴＦＴの活性層と
して用いることを特徴とする。
その結果、素子間の移動度、閾値及びオン電流のばらつきを抑えることができる。
なお、レーザ光は、本実施例で示した照射条件に限定されない。
また、レーザ光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）を用いているが、その以外にもゲルマニウム
（Ｇｅ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃ
ｏ）、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、レーザ光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、レーザ光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。

つまり、レーザ照射により半導体膜の上層部が溶けるが、下層部は溶けない。
前記のとおりであり、半導体膜の下層部において溶けずに残った結晶が結晶核となり、
半導体膜の下層部から上層部に向かって結晶化が進む。
そのため、レーザ光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、レーザ光による結晶化後の半導体膜表面の荒れが抑えられることもでき
る。

したがって、後に形成される半導体素子、代表的にはＴＦＴの特性のバラツキがより抑
えられ、オフ電流を抑えることができる。
なお、触媒元素を添加し加熱処理を行って結晶化を促進してから、レーザ光の照射によ
り結晶性をより高めてもよいし、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光を照射し、結晶性を
高めるようにしてもよい。

本実施例では、半導体膜の結晶化に本発明のレーザ照射方法を用いた例を示したが、半
導体膜にドーピングした不純物元素の活性化を行うために用いてもよい。
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り、高速化のためには、トランジスタ
の微細化を図ることが好ましい。
本実施例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、
高速動作が必要な駆動回路に用いることが好適である。

そして、本発明を用いることにより図６で示した薄膜トランジスタを用いて様々な電子
機器を完成させることができる。
その具体例について、図７を用いて説明する。
図７（Ａ）は表示装置であり、筐体２００１、支持台２００２、表示部２００３、スピ
ーカー部２００４、ビデオ入力端子２００５等を含む。
この表示装置は、図６に示した作製方法により形成した薄膜トランジスタをその表示部
２００３に用いることにより作製される。
なお、表示装置には、液晶表示装置や発光装置などがあり、具体的には、コンピュータ
用、ＴＶ放送受信用、広告表示用などの全ての情報表示用表示装置が含まれる。

図７（Ｂ）は、コンピュータであり、筐体２２００、表示部２２０１、キーボード２２
０３、外部接続ポート２２０４、ポインティングマウス２２０５等を含む。
図６に示した作製方法を用いることにより、表示部２２０１やその他の回路への適用が
可能である。
さらに、本発明は本体内部のＣＰＵ，メモリなどの半導体装置にも適用が可能である。
図７（Ｃ）は携帯端末のうちの携帯電話、筐体２３０１、表示部２３０２等を含む。
上記携帯電話を始めとするＰＤＡやデジタルカメラなどの電子機器は携帯端末であるた
め、表示画面が小さい。
従って、図６で示したような微細なトランジスタを用いてＣＰＵ等の機能回路を形成す
ることによって、小型・軽量化を図ることができる。

また、本実施例で作製した薄膜トランジスタはＩＤチップとして利用ですることができ
る。
例えば、図６に示した作製方法を用いることにより、ＩＤチップ内の集積回路やメモリ
としての適用が可能である。
メモリとして用いた場合、商品の流通のプロセスを記録することができる。
さらに、商品の生産段階におけるプロセスを記録しておくことで、卸売業者、小売業者
、消費者が、産地、生産者、製造年月日、加工方法などを把握することが容易になる。
以上の様に、本発明により作製された半導体装置の適用範囲は極めて広く、本発明によ
り作製された半導体装置をあらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。

１０１レーザ発振器
１０２スリット
１０３ミラー
１０４シリンドリカルレンズ
１０５シリンドリカルレンズ
１０６半導体膜
１０７ガラス基板
１０８Ｘステージ
１０９Ｙステージ

Claims

レーザ光のエネルギー密度の低い部分をスリットによって遮断し、且つエネルギー密度の高い部分を前記スリットを通過させ、
前記スリットにおける像を凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レンズを用いて半導体膜の表面に投影することによって、前記半導体膜の表面に線状ビームを照射する半導体装置の作製方法であって、
前記線状ビームの走査位置を、前記線状ビームの長辺方向に前記線状ビームの幅ずつずらすことを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１において、
前記線状ビームを照射することによって、前記半導体膜の結晶化を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１又は請求項２において、
前記線状ビームを照射することによって、前記半導体膜に含まれる不純物元素の活性化を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記スリットと前記凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レンズとの間隔（Ｍ１）及び前記凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レンズと前記半導体膜の表面との間隔（Ｍ２）は、下記の式（１）及び式（２）の関係を満たすことを特徴とする半導体装置の作製方法。
Ｍ１＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／Ｄ式（１）
Ｍ２＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／ｓ式（２）
（但し、前記式（１）及び前記式（２）において、ｓは前記スリットの幅、Ｄは前記半導体膜の表面における前記線状ビームの長辺方向の長さ、ｆは前記凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レンズの焦点距離である。）
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
少なくとも前記線状ビームの長辺方向の端部が照射された前記半導体膜を用いてＴＦＴを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項５に記載の前記ＴＦＴを電子機器に用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項６に記載の前記電子機器は、ＩＤチップであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
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のエネルギー密度の低い部分を遮断し、且つ前記エネルギー密度の高い部分を通過させるスリットと、
前記スリットにおける像を照射面に投影する凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レンズと、を有し、
前記像を投影することで前記照射面に照射される線状ビームの走査位置を、前記線状ビームの長辺方向に前記線状ビームの幅ずつずらすことを特徴とするレーザ照射装置。
請求項８において、
前記レーザ発振器は、ＣＷレーザ発振器であることを特徴とするレーザ照射装置。
請求項８において、
前記レーザ発振器は、パルスレーザ発振器であることを特徴とするレーザ照射装置。
請求項１０において、
前記パルスレーザ発振器は、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上のモードロックパルス発振のレーザ発振器であることを特徴とするレーザ照射装置。
請求項８乃至請求項１１のいずれか一項において、
前記スリットと前記凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レンズとの間隔（Ｍ１）及び前記凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レンズと前記照射面との間隔（Ｍ２）は、下記の式（１）及び式（２）の関係を満たすことを特徴とするレーザ照射装置。
Ｍ１＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／Ｄ式（１）
Ｍ２＝ｆ（ｓ＋Ｄ）／ｓ式（２）
（但し、前記式（１）及び前記式（２）において、ｓは前記スリットの幅、Ｄは前記照射面における前記線状ビームの長辺方向の長さ、ｆは前記凸型シリンドリカルレンズ又は凸型球面レンズの焦点距離である。）